La progettazione di nuovi materiali sofisticati sta subendo un rapido progresso tecnologico. Le innovazioni nella scienza dei materiali promettono miglioramenti trasformativi in ​​settori che vanno dall'energia alla produzione.

In un nuovo studio, i ricercatori del Biodesign Institute dell'ASU ei loro colleghi esplorano nuovi materiali con proprietà fisiche che possono essere adattate su misura per soddisfare esigenze particolari. L'opera si ispira ai meccanismi in natura, dove la complessa struttura tridimensionale delle proteine ​​circostanti influenza le proprietà elettrochimiche dei metalli al loro interno.

I progressi potrebbero avere ampie implicazioni per la progettazione di molte nuove innovazioni utili per la tecnologia dei semiconduttori, energia sostenibile e produzione industriale.

Mondo materiale

L'autore principale Brian Wadsworth ei suoi collaboratori descrivono le tecniche per immobilizzare i complessi metallici su supporti fisici che sono sia trasparenti che conduttivi. I materiali ibridi risultanti consentono un controllo sintetico sulla configurazione, consentendo ai ricercatori di regolare lo spostamento degli elettroni all'interno del materiale composito.

Un controllo preciso sulle prestazioni dei materiali può essere ottenuto modificando le interfacce dei materiali. Secondo l'autore corrispondente Gary Moore, "ogni volta che due cose si toccano, formano un'interfaccia. Le interfacce dei materiali sono fondamentali per il nostro lavoro." È in queste regioni che avvengono le modifiche progettate per regolare le proprietà fisiche di un materiale.

L'attuale studio estende i precedenti sforzi del gruppo con materiali semiconduttori, che prevedeva la cattura e la conversione dell'energia solare per la produzione di combustibili. Realizzare ciò richiede la capacità di controllare le reazioni e le entità chimiche che aumentano la loro velocità, noti come catalizzatori. "Il nostro uso di molecole sulle superfici può avere un'ampia gamma di applicazioni, compresa la conversione dell'energia solare, catalisi, e produzione chimica attraverso la chimica verde, "dice Moore.

Oltre a Wadsworth e Moore, entrambi i ricercatori del Biodesign Center for Applied Structural Discovery, il team comprende Diana Khusnutdinova e Jennifer M. Urbine, (precedentemente con il Biodesign Institute e attualmente presso Intel e il programma di dottorato presso UC Irvine, rispettivamente). Ahlea S. Reyes, che ha iniziato a lavorare nel laboratorio di Moore da studente di scuola superiore ed è attualmente studente universitario presso l'ASU, anche contribuito al nuovo studio.

La ricerca abbellisce la copertina dell'ultimo numero della rivista Materiali e interfacce applicati ACS .

Centro di controllo

I catalizzatori svolgono un ruolo vitale nei processi che comportano la conversione dell'energia e sono importanti sia in biologia che in tecnologia. L'attuale studio fornisce preziose informazioni che potrebbero portare a progressi in termini di efficienza, affidabilità e scalabilità delle soluzioni energetiche sostenibili. La crescente crisi energetica spinge gli sforzi per comprendere meglio l'elettrochimica dei nuovi materiali sulla pista veloce e apre possibilità di vasta portata per le nuove tecnologie.

I catalizzatori convenzionali come quelli utilizzati nell'industria sono generalmente basati su superfici bidimensionali. Qui, i reagenti sono riuniti per produrre un prodotto desiderato. I catalizzatori accelerano la velocità di tali reazioni. Una delle trasformazioni più elementari è la produzione di idrogeno, dove elettroni e protoni si uniscono per formare idrogeno molecolare. In questo caso, il platino è comunemente usato come catalizzatore.

Natura, però, ha trovato un mezzo più economico ed efficiente per la produzione di idrogeno. "La biologia non usa fogli di platino bidimensionali, " spiega Moore. Invece, le forme di vita effettuano questa trasformazione con l'aiuto di enzimi specializzati. "Gli enzimi spesso contengono centri metallici in cui si verifica la reattività, ma la loro specificità deriva dalle loro strutture tridimensionali uniche."

Il loro approccio unico si traduce in materiali ispirati a tali architetture tridimensionali per guidare le reazioni che riuniscono più substrati, sostanze su cui agiscono i catalizzatori. Creazione di ambienti soft matter tridimensionali, simili a quelli che si trovano nelle proteine, consente ai ricercatori di applicare un controllo a grana fine di queste reazioni sia nello spazio che nel tempo.

"Brian ha elaborato un approccio per attaccare rivestimenti molecolari relativamente sottili, compresi i polimeri, su una superficie di elettrodi, " dice Moore. "Ora queste superfici di elettrodi hanno ambienti molecolari tridimensionali, dove possiamo depositare intenzionalmente un centro metallico." Questi centri metallici sono i siti delle cosiddette reazioni di riduzione-ossidazione o redox, dove si acquistano o si perdono elettroni.

Superare la fatica del metallo

Il metodo aiuta a superare uno dei principali fattori limitanti nella progettazione di catalizzatori efficaci. I catalizzatori convenzionali utilizzano tipicamente metalli delle terre rare come il platino, quale, come suggerisce il nome, sono scarse e molto costose. Anziché, creando un materiale ibrido tridimensionale costituito da componenti omogenei strutturalmente ben definiti che sono legati ad una struttura di supporto eterogenea, il materiale sintetico può essere realizzato con metalli molto più economici e più abbondanti in terra come il cobalto (usato nel presente studio). Gli autori sottolineano che queste innovazioni possono non solo ridurre il costo dei nuovi materiali, ma anche migliorarne l'efficienza e la stabilità. "Ancora, questa è la parte di ispirazione biologica della nostra visione per lo sviluppo di questi rivestimenti molecolari, "dice Moore.

Per progettare il nuovo materiale, Wadsworth utilizza alcune delle sofisticate chimiche di attaccamento sviluppate in precedenti lavori sui semiconduttori che raccolgono la luce. Gli esperimenti descritti nel nuovo articolo indagano gli effetti dell'applicazione di queste sostanze chimiche alle superfici dei materiali conduttori. Ciò consente ai ricercatori di sondare direttamente le proprietà elettrochimiche dei centri metallici incorporati. "Stiamo ottenendo informazioni meccanicistiche su come il materiale morbido o gli ambienti simili a proteine ​​controllano la chimica che si verifica al centro del metallo, "Dice Wadsworth.

Una volta che i complessi contenenti metalli sono legati alla superficie dell'elettrodo, l'ambiente molecolare circostante può essere leggermente modificato per alterare le risposte redox. "Ogni trasformazione chimica comporta cambiamenti nella struttura e nell'energia associati a un potenziale chimico, " Afferma Moore. "I rivestimenti riportati in questo lavoro consentono ai centri metallici immobilizzati in superficie di operare su un arco relativamente ampio di potenziali per applicazioni in una gamma di processi chimici e tecnologie emergenti".

Ricerca catalizzante

Alcune di queste nuove idee sono state recentemente discusse alla Conferenza Winter Inter-American Photochemical Society (I-APS), che ebbe luogo a Sarasota, Florida, 2-5 gennaio, 2020. La vivace conferenza è stata co-organizzata da Moore e dalla sua collega Elizabeth Young della Lehigh University e ha riunito scienziati di spicco in tutte le aree delle scienze fotochimiche, dal Nord e Sud America.

All'incontro, Wadsworth ha presentato un poster intitolato "Bridging Concepts between Heterogeneous-, Omogeneo-, e Bio-Catalysis to Model Photoelectrosynthetic Reactions" e ha ricevuto un premio sostenuto dalla rivista Materiali e interfacce applicati ACS , (la stessa rivista con l'attuale articolo di copertina della ricerca).

I ricercatori ritengono che uno dei punti di forza delle strategie di ispirazione biologica e molecolari sia la diversità nella struttura e nella funzione che questo approccio consente. "La diversità aumenta la creatività e promuove l'innovazione. Questa nozione è sfruttata non solo nei materiali che costruiamo, ma anche nel team di ricercatori che guidano la continua evoluzione della nostra scienza, " dice Moore. "Il lavoro attuale presenta contributi della scuola superiore, studente universitario, laureato, e studenti post-laurea provenienti da tutto il mondo."