Ispirato dalla natura, ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), insieme a collaboratori della Washington State University, ha creato un nuovo materiale in grado di catturare l'energia della luce. Questo materiale fornisce un sistema di raccolta della luce artificiale altamente efficiente con potenziali applicazioni nel fotovoltaico e nel bioimaging.

La ricerca fornisce una base per superare le difficili sfide coinvolte nella creazione di materiali ibridi organici-inorganici funzionali gerarchici. La natura fornisce splendidi esempi di materiali ibridi strutturati gerarchicamente come ossa e denti. Questi materiali in genere mostrano una precisa disposizione atomica che consente loro di ottenere molte proprietà eccezionali, come una maggiore resistenza e tenacità.

Chun-Long Chen, scienziato dei materiali del PNNL, autore corrispondente di questo studio, e i suoi collaboratori hanno creato un nuovo materiale che riflette la complessità strutturale e funzionale dei materiali ibridi naturali. Questo materiale combina la programmabilità di una molecola sintetica simile a una proteina con la complessità di un nanocluster a base di silicato per creare una nuova classe di nanocristalli altamente robusti. Hanno quindi programmato questo materiale ibrido 2D per creare un sistema di raccolta della luce artificiale altamente efficiente.

"Il sole è la fonte di energia più importante che abbiamo, ", ha detto Chen. "Volevamo vedere se potevamo programmare i nostri nanocristalli ibridi per raccogliere energia luminosa, proprio come le piante naturali e i batteri fotosintetici possono raggiungere un'elevata robustezza e lavorabilità osservata nei sistemi sintetici." I risultati di questo studio sono stati pubblicati. 14 maggio 2021, in Progressi scientifici .

Grandi sogni, piccoli cristalli

Sebbene questi tipi di materiali strutturati gerarchicamente siano eccezionalmente difficili da creare, Il team multidisciplinare di scienziati di Chen ha unito le proprie conoscenze specialistiche per sintetizzare una molecola definita in sequenza in grado di formare una tale disposizione. I ricercatori hanno creato una struttura proteica alterata, chiamato peptoide, e ha attaccato una precisa struttura a gabbia a base di silicato (abbreviato POSS) a un'estremità di esso. Hanno poi scoperto che, nelle giuste condizioni, potrebbero indurre queste molecole ad autoassemblarsi in cristalli perfettamente sagomati di nanofogli 2D. Ciò ha creato un altro strato di complessità simile alla membrana cellulare simile a quello osservato nelle strutture gerarchiche naturali, pur mantenendo l'elevata stabilità e le proprietà meccaniche migliorate delle singole molecole.

"Come scienziato dei materiali, la natura mi fornisce molta ispirazione" ha detto Chen. "Ogni volta che voglio progettare una molecola per fare qualcosa di specifico, come agire come un veicolo di consegna della droga, Riesco quasi sempre a trovare un esempio naturale su cui modellare i miei progetti".

Progettare materiali di ispirazione biologica

Una volta che il team ha creato con successo questi nanocristalli POSS-peptoidi e ha dimostrato le loro proprietà uniche, inclusa l'elevata programmabilità, hanno poi deciso di sfruttare queste proprietà. Hanno programmato il materiale per includere gruppi funzionali speciali in posizioni e distanze intermolecolari specifiche. Poiché questi nanocristalli combinano la forza e la stabilità del POSS con la variabilità del blocco costitutivo peptoide, le possibilità di programmazione erano infinite.

Guardando ancora una volta alla natura per l'ispirazione, gli scienziati hanno creato un sistema in grado di catturare l'energia della luce in modo molto simile a come fanno i pigmenti che si trovano nelle piante. Hanno aggiunto coppie di speciali molecole "donatori" e strutture a gabbia che potrebbero legare una molecola "accettore" in punti precisi all'interno del nanocristallo. Le molecole donatrici assorbono la luce a una lunghezza d'onda specifica e trasferiscono l'energia luminosa alle molecole accettore. Le molecole accettore quindi emettono luce a una lunghezza d'onda diversa. Questo sistema di nuova creazione ha mostrato un'efficienza di trasferimento di energia di oltre il 96%, rendendolo uno dei sistemi acquosi di raccolta della luce più efficienti del suo genere finora riportati.

Dimostrazione degli usi dei peptoidi POSS per la raccolta leggera

Per mostrare l'uso di questo sistema, i ricercatori hanno quindi inserito i nanocristalli in cellule umane vive come sonda biocompatibile per l'imaging di cellule vive. Quando la luce di un certo colore brilla sulle cellule e le molecole accettore sono presenti, le cellule emettono una luce di colore diverso. Quando le molecole accettore sono assenti, il cambiamento di colore non si osserva. Sebbene finora il team abbia dimostrato l'utilità di questo sistema solo per l'imaging di cellule vive, le proprietà migliorate e l'elevata programmabilità di questo materiale ibrido 2D li portano a credere che questa sia una delle tante applicazioni.

"Sebbene questa ricerca sia ancora agli inizi, le caratteristiche strutturali uniche e l'elevato trasferimento di energia dei nanocristalli 2D POSS-peptoidi hanno il potenziale per essere applicati a molti sistemi diversi, dal fotovoltaico alla fotocatalisi, " ha detto Chen. Lui e i suoi colleghi continueranno a esplorare strade per l'applicazione di questo nuovo materiale ibrido.