Geïnspireerd door de natuur, onderzoekers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), samen met medewerkers van de Washington State University, creëerde een nieuw materiaal dat in staat is om lichtenergie op te vangen. Dit materiaal biedt een zeer efficiënt systeem voor het oogsten van kunstlicht met mogelijke toepassingen in fotovoltaïsche energie en bio-imaging.

Het onderzoek biedt een basis voor het overwinnen van de moeilijke uitdagingen die gepaard gaan met het creëren van hiërarchische functionele organisch-anorganische hybride materialen. De natuur geeft mooie voorbeelden van hiërarchisch gestructureerde hybride materialen zoals botten en tanden. Deze materialen vertonen typisch een nauwkeurige atomaire rangschikking waardoor ze vele uitzonderlijke eigenschappen kunnen bereiken, zoals verhoogde sterkte en taaiheid.

PNNL materiaalwetenschapper Chun-Long Chen, corresponderende auteur van deze studie, en zijn medewerkers creëerden een nieuw materiaal dat de structurele en functionele complexiteit van natuurlijke hybride materialen weerspiegelt. Dit materiaal combineert de programmeerbaarheid van een eiwitachtig synthetisch molecuul met de complexiteit van een op silicaat gebaseerde nanocluster om een ​​nieuwe klasse van zeer robuuste nanokristallen te creëren. Vervolgens programmeerden ze dit 2D-hybride materiaal om een ​​zeer efficiënt systeem voor het oogsten van kunstlicht te creëren.

"De zon is de belangrijkste energiebron die we hebben, " zei Chen. "We wilden zien of we onze hybride nanokristallen konden programmeren om lichtenergie te oogsten - net zoals natuurlijke planten en fotosynthetische bacteriën dat kunnen - terwijl we een hoge robuustheid en verwerkbaarheid bereiken die wordt gezien in synthetische systemen." De resultaten van deze studie werden gepubliceerd 14 mei 2021, in wetenschappelijke vooruitgang .

Grote dromen, kleine kristallen

Hoewel dit soort hiërarchisch gestructureerde materialen buitengewoon moeilijk te maken zijn, Chen's multidisciplinaire team van wetenschappers combineerde hun deskundige kennis om een ​​sequentie-gedefinieerd molecuul te synthetiseren dat in staat is om zo'n arrangement te vormen. De onderzoekers creëerden een veranderde eiwitachtige structuur, een peptoïde genoemd, en bevestigde een precieze op silicaat gebaseerde kooiachtige structuur (afgekort POSS) aan het ene uiteinde ervan. Dat vonden ze toen onder de juiste voorwaarden, ze zouden deze moleculen ertoe kunnen brengen zichzelf te assembleren tot perfect gevormde kristallen van 2D-nanobladen. Dit creëerde een andere laag van celmembraanachtige complexiteit die vergelijkbaar is met die in natuurlijke hiërarchische structuren, terwijl de hoge stabiliteit en verbeterde mechanische eigenschappen van de individuele moleculen behouden blijven.

"Als materiaalwetenschapper de natuur geeft me veel inspiratie", zei Chen. "Als ik een molecuul wil ontwerpen om iets specifieks te doen, zoals fungeren als een voertuig voor het afleveren van medicijnen, Ik kan bijna altijd een natuurlijk voorbeeld vinden om mijn ontwerpen naar te modelleren."

Bio-geïnspireerde materialen ontwerpen

Nadat het team met succes deze POSS-peptoïde nanokristallen had gemaakt en hun unieke eigenschappen, waaronder hoge programmeerbaarheid, had gedemonstreerd, ze gingen vervolgens op zoek om deze eigenschappen te exploiteren. Ze programmeerden het materiaal om speciale functionele groepen op specifieke locaties en intermoleculaire afstanden op te nemen. Omdat deze nanokristallen de sterkte en stabiliteit van POSS combineren met de variabiliteit van de peptoïde bouwsteen, de programmeermogelijkheden waren eindeloos.

Opnieuw op zoek naar de natuur voor inspiratie, de wetenschappers creëerden een systeem dat lichtenergie kon opvangen op dezelfde manier als pigmenten die in planten worden aangetroffen. Ze voegden paren speciale "donor" -moleculen en kooiachtige structuren toe die een "acceptor" -molecuul op precieze locaties in het nanokristal konden binden. De donormoleculen absorberen licht op een specifieke golflengte en dragen de lichtenergie over aan de acceptormoleculen. De acceptormoleculen zenden dan licht uit met een andere golflengte. Dit nieuw gecreëerde systeem vertoonde een energieoverdrachtsefficiëntie van meer dan 96%, waardoor het een van de meest efficiënte waterige lichtoogstsystemen in zijn soort is die tot nu toe zijn gerapporteerd.

Demonstratie van het gebruik van POSS-peptoïden voor licht oogsten

Om het gebruik van dit systeem te demonstreren, de onderzoekers plaatsten vervolgens de nanokristallen in levende menselijke cellen als een biocompatibele sonde voor beeldvorming van levende cellen. Wanneer licht van een bepaalde kleur op de cellen schijnt en de acceptormoleculen aanwezig zijn, de cellen stralen een ander licht uit. Wanneer de acceptormoleculen afwezig zijn, de kleurverandering wordt niet waargenomen. Hoewel het team tot nu toe alleen het nut van dit systeem voor live-celbeeldvorming heeft aangetoond, de verbeterde eigenschappen en hoge programmeerbaarheid van dit 2D hybride materiaal doen hen geloven dat dit een van de vele toepassingen is.

"Hoewel dit onderzoek nog in de kinderschoenen staat, de unieke structurele kenmerken en hoge energieoverdracht van POSS-peptoïde 2D-nanokristallen hebben het potentieel om op veel verschillende systemen te worden toegepast, van fotovoltaïsche tot fotokatalyse, " zei Chen. Hij en zijn collega's zullen doorgaan met het verkennen van wegen voor de toepassing van dit nieuwe hybride materiaal.