Enzymen zijn de beste katalysatoren op nanoschaal van de natuur, en laten vaak zien wat bekend staat als katalytische allosterie - dat wil zeggen, reacties op de ene plaats die de reacties op een andere plaats beïnvloeden, meestal op enkele nanometers afstand, zonder directe interactie tussen de reactanten.

Nanodeeltjes van verschillende materialen, zoals metaal, kunnen ook fungeren als katalysatoren voor chemische transformaties op hun eigen oppervlak, en hun oppervlakte-actieve plaatsen kunnen elektronisch worden gekoppeld. Peng Chen, de Peter J. W. Debye Hoogleraar Scheikunde bij de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie, neemt zijn achtergrond in enzymstudies en past deze toe op zijn andere onderzoeksspecialiteit:katalyse met één molecuul.

Zijn groep heeft een paper gepubliceerd in Natuurchemie , het hoogtepunt van jarenlange studie, dat een conceptueel kader schetst om te begrijpen hoe een nanokatalysatordeeltje werkt. Het werk zou kunnen bijdragen aan een beter ontwerp van synthetische nanokatalysatoren in de toekomst.

"Co-operative Communication Within and Between Single Nanocatalysts" werd op 26 maart gepubliceerd. Hoofdauteurs zijn voormalige afgestudeerde studenten Ningmu Zou en Guanqun Chen, en voormalig postdoctoraal onderzoeker Xiaochun Zhou.

Gezien zijn enzymenachtergrond, Chen vroeg zich af:kunnen reacties op verschillende oppervlaktelocaties op dezelfde nanokatalysator met elkaar communiceren, vergelijkbaar met allosterische enzymen?

"We hadden al een manier ontwikkeld om katalytische reacties op een enkele katalysator in kaart te brengen, op een spatiotemporeel [ruimte en tijd] opgeloste manier, " zei Chen, wiens groep vorig jaar een paper over het onderwerp publiceerde. "Voor elke reactie die plaatsvindt op een katalysatordeeltje, we weten waar het is gebeurd en wanneer het is gebeurd. Toen kwam ik op de vraag of reacties op verschillende plekken, op dezelfde katalysator, kunnen tegen elkaar praten."

Met behulp van fluorescentiemicroscopie met één molecuul, Chen en de groep ontdekten dat katalytische reacties op een enkele katalysator op nanoschaal - in dit geval nanodeeltjes van goud en palladium – kunnen inderdaad met elkaar communiceren, waarschijnlijk via beweging van positieve ladingsdragers bekend als gaten. De groep testte dit op twee soorten nanokatalysatormorfologieën, en drie verschillende soorten katalytische transformaties.

Ze ontdekten ook dat reacties op afzonderlijke gouden nanokatalysatoren met elkaar communiceren, over nog grotere afstanden, door diffusie van negatief geladen reactieproducten. Deze communicatie is analoog aan het "spillover"-effect in de oppervlaktewetenschap, zei Chen.

Beide vertegenwoordigen de eerste waarnemingen in hun soort met individuele nanokatalysatoren.

"Dit biedt een nieuw soort conceptueel kader om te begrijpen hoe een katalysatordeeltje op nanoschaal werkt, ' zei Chen.

Hoewel het toepassen van deze waarnemingen op de real-world ontwikkeling van niet-biologische nanokatalysatoren nog ver in de toekomst ligt, deze ontdekking duwt de basiswetenschap in de richting van dat doel, zei Chen. "Als men kan profiteren van dat belangrijke kenmerk van enzymen in een niet-biologische katalysator, misschien is er een manier om de functie van de katalysator te verbeteren, " hij zei.