Biologische systemen zijn er in alle vormen, maten en constructies. Sommige van deze structuren, zoals die gevonden worden in DNA, RNA en eiwitten, worden gevormd door complexe moleculaire interacties die niet gemakkelijk worden gedupliceerd door anorganische materialen.

Een onderzoeksteam onder leiding van Richard Robinson, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, ontdekte een manier om nanoschaalclusters van kopermoleculen te binden en te stapelen die deze complexe biosysteemstructuren op verschillende lengteschalen zelf kunnen assembleren en nabootsen. De clusters bieden een platform voor het ontwikkelen van nieuwe katalytische eigenschappen die verder gaan dan wat traditionele materialen kunnen bieden.

De kern van de nanocluster is verbonden met twee koperen doppen die zijn uitgerust met speciale bindende moleculen, bekend als liganden, die onder een hoek staan ​​als propellerbladen.

De krant van het team, "Tertiaire hiërarchische complexiteit in assemblages van zwaveloverbrugde metalen chirale clusters, " gepubliceerd op 27 juli in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Alleen al in staat zijn om anorganische clusters te creëren en de atomaire posities precies te lokaliseren, is een relatief nieuw gebied omdat anorganische clusters niet gemakkelijk samengaan tot georganiseerde kristallen zoals organische moleculen doen. Toen we deze kregen om te assembleren, wat we vonden was dit vreemd, hiërarchische organisatie die totaal onverwacht was, " zei Robinson, senior auteur van de krant. "Dit werk zou een fundamenteel begrip kunnen opleveren van hoe biosystemen zoals eiwitten zichzelf assembleren om secundaire structurele organisatie te creëren, en het geeft ons de kans om iets te creëren dat een natuurlijk levend systeem zou kunnen imiteren."

De nanoclusters hebben drie organisatieniveaus met een in elkaar grijpende, chiraal ontwerp. Twee koperen kapjes zijn voorzien van speciale bindende moleculen, bekend als liganden, die onder een hoek staan ​​als propellerbladen, waarbij de ene set met de klok mee kantelt en de andere tegen de klok in (of linkshandig en rechtshandig), allemaal verbonden met een kern. De koperclusters zijn overbrugd met zwavel, en hebben een gemengde oxidatietoestand, waardoor ze actiever zijn in chemische reacties.

De flexibele, adaptieve aard maakt ze potentiële kandidaten voor metabole en enzymatische processen, evenals het versnellen van chemische reacties door middel van katalyse. Bijvoorbeeld, ze kunnen mogelijk koolstofdioxide reduceren tot alcoholen en koolwaterstoffen.

"We willen katalytische materialen ontwikkelen met eigenschappen die natuurlijke enzymen nabootsen, " zei co-auteur Jin Suntivich, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek. "Omdat ons cluster slechts 13 koperatomen heeft, de afstembaarheid is beter controleerbaar dan een nanodeeltje met honderden of duizenden atomen. Met dit hogere niveau van controle, we kunnen nadenken over de opbouw van de clusters op een systematische manier. Dit kan helpen onthullen hoe elk atoom deelneemt aan reacties en hoe rationeel een betere kan worden ontworpen. We zien het als een brug naar enzymen, waar de atomen op een precieze manier worden geassembleerd om zeer selectieve katalyse mogelijk te maken."

Radicale samenwerking

Terwijl andere anorganische clusters de neiging hebben om elektronen uit te wisselen en hun eigenschappen te veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan zuurstof, de liganden stabiliseren de nanocluster over steeds langere levenscycli, waardoor het betrouwbaar luchtstabiel is. En omdat de liganden sterke geleiders van elektronen zijn, de clusters kunnen nuttig zijn in organische elektronica, quantum computing en licht-optische schakelaars.

De groep van Robinson onderzoekt nu het repliceren van dezelfde hiërarchie op drie niveaus met andere metalen.

"Materiaalwetenschappers en chemische wetenschappers hebben geprobeerd deze complexe hiërarchische structuren in het laboratorium na te bootsen, en we denken dat we eindelijk iets hebben dat niemand anders heeft gezien, en waarop we kunnen voortbouwen voor toekomstig onderzoek, ' zei Robinson.