Gli enzimi sono i migliori catalizzatori su scala nanometrica della natura, e spesso mostrano ciò che è noto come allosteria catalitica, ovvero reazioni in un sito che interessano reazioni in un altro sito, tipicamente a pochi nanometri di distanza, senza interazione diretta tra i reagenti.

Nanoparticelle di vari materiali, come il metallo, possono anche fungere da catalizzatori per trasformazioni chimiche sulle proprie superfici, e i loro siti tensioattivi possono essere accoppiati elettronicamente. Peng Chen, il Peter J.W. Debye Professore di Chimica presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica, sta prendendo il suo background negli studi sugli enzimi e applicandolo alla sua altra specializzazione di ricerca:la catalisi a singola molecola.

Il suo gruppo ha pubblicato un articolo in Chimica della natura , il culmine di anni di studio, che delinea un quadro concettuale per comprendere come funziona una particella nanocatalizzatore. Il lavoro potrebbe aiutare a migliorare la progettazione di nanocatalizzatori sintetici lungo la strada.

"Comunicazione cooperativa all'interno e tra singoli nanocatalizzatori" è stato pubblicato il 26 marzo. Gli autori principali sono gli ex studenti laureati Ningmu Zou e Guanqun Chen, e l'ex ricercatore postdottorato Xiaochun Zhou.

Dato il suo background di enzimi, Chen si chiedeva:le reazioni in diversi siti di superficie sullo stesso nanocatalizzatore possono comunicare tra loro? simile agli enzimi allosterici?

"Avevamo già sviluppato un modo per mappare le reazioni catalitiche su un singolo catalizzatore, in modo spaziotemporale [spazio e tempo] risolto, " disse Chen, il cui gruppo ha pubblicato un articolo sull'argomento l'anno scorso. "Per ogni reazione che avviene su una particella di catalizzatore, sappiamo dove è successo e quando è successo. Poi mi sono posto la domanda se le reazioni in luoghi diversi, sullo stesso catalizzatore, possono parlare tra loro."

Utilizzando la microscopia a fluorescenza a molecola singola, Chen e il gruppo hanno scoperto che le reazioni catalitiche su un singolo catalizzatore su nanoscala - in questo caso, nanoparticelle di oro e palladio – possono infatti comunicare tra loro, probabilmente attraverso il movimento di portatori di carica positivi noti come buchi. Il gruppo ha testato questo su due tipi di morfologie di nanocatalizzatori, e tre tipi distinti di trasformazioni catalitiche.

Hanno anche scoperto che le reazioni su nanocatalizzatori d'oro separati comunicano tra loro, su distanze ancora maggiori, per diffusione di prodotti di reazione carichi negativamente. Questa comunicazione è analoga all'effetto "spillover" nella scienza delle superfici, disse Chen.

Entrambi rappresentano osservazioni uniche nel loro genere che coinvolgono singoli nanocatalizzatori.

"Questo fornisce un nuovo tipo di quadro concettuale per comprendere come funziona una particella di catalizzatore su scala nanometrica, " disse Chen.

Sebbene l'applicazione di queste osservazioni allo sviluppo nel mondo reale di nanocatalizzatori non biologici sia ancora in un lontano futuro, questa scoperta spinge la scienza di base verso quell'obiettivo, disse Chen. "Se si può capitalizzare su quell'importante caratteristica degli enzimi in un catalizzatore non biologico, forse c'è un modo per migliorare la funzione del catalizzatore, " Egli ha detto.