I sistemi biologici sono disponibili in tutte le forme, dimensioni e strutture. Alcune di queste strutture, come quelli che si trovano nel DNA, RNA e proteine, si formano attraverso interazioni molecolari complesse che non sono facilmente duplicabili da materiali inorganici.

Un gruppo di ricerca guidato da Richard Robinson, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, ha scoperto un modo per legare e impilare cluster su nanoscala di molecole di rame in grado di autoassemblarsi e imitare queste complesse strutture di biosistemi a diverse scale di lunghezza. I cluster forniscono una piattaforma per lo sviluppo di nuove proprietà catalitiche che vanno oltre ciò che i materiali tradizionali possono offrire.

Il nucleo del nanocluster si collega a due cappucci di rame dotati di speciali molecole leganti, noti come ligandi, che sono angolati come le pale dell'elica.

La carta della squadra, "Complessità gerarchica terziaria negli assemblaggi di cluster chirali di metalli a ponte di zolfo, " pubblicato il 27 luglio nel Giornale della Società Chimica Americana .

"Solo essere in grado di creare cluster inorganici e localizzare con precisione le posizioni atomiche è un'area relativamente nuova perché i cluster inorganici non si assemblano facilmente in cristalli organizzati come fanno le molecole organiche. Quando li abbiamo assemblati, quello che abbiamo trovato era questo strano, organizzazione gerarchica del tutto inaspettata, " ha detto Robinson, l'autore senior del documento. "Questo lavoro potrebbe fornire una comprensione fondamentale di come i biosistemi come le proteine ​​si assemblano per creare un'organizzazione strutturale secondaria, e ci dà l'opportunità di iniziare a creare qualcosa che possa imitare un sistema vivente naturale".

I nanocluster hanno tre livelli di organizzazione con un incastro, disegno chirale. Due cappucci in rame sono dotati di speciali molecole leganti, noti come ligandi, che sono angolate come le pale di un'elica, con un set inclinabile in senso orario e l'altro in senso antiorario (o mancino e destrorso), tutti collegati a un core. I grappoli di rame sono colmati con zolfo, e hanno uno stato di ossidazione misto, che li rende più attivi nelle reazioni chimiche.

I cluster flessibili, la natura adattiva li rende potenziali candidati per processi metabolici ed enzimatici, oltre ad accelerare le reazioni chimiche attraverso la catalisi. Per esempio, possono essere in grado di ridurre l'anidride carbonica ad alcoli e idrocarburi.

"Vorremmo sviluppare materiali catalitici con caratteristiche che imitano gli enzimi naturali, ", ha affermato il coautore Jin Suntivich, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali. "Poiché il nostro cluster ha solo 13 atomi di rame, la sintonizzabilità è più controllabile di una nanoparticella con centinaia o migliaia di atomi. Con questo livello di controllo più elevato, possiamo pensare di costruire i cluster in maniera sistematica. Questo può aiutare a rivelare come ogni atomo partecipa alle reazioni e come progettarne razionalmente uno migliore. Lo vediamo come un ponte verso gli enzimi, dove gli atomi sono assemblati in modo preciso per consentire una catalisi altamente selettiva."

Collaborazione radicale

Mentre altri cluster inorganici tendono a scambiare elettroni e a cambiare le loro proprietà quando esposti all'ossigeno, i ligandi stabilizzano il nanocluster su cicli di vita sempre più lunghi, rendendolo stabile all'aria in modo affidabile. E poiché i leganti sono forti conduttori di elettroni, i cluster possono essere utili nell'elettronica organica, informatica quantistica e interruttori ottici.

Il gruppo di Robinson sta ora cercando di replicare la stessa gerarchia a tre livelli con altri metalli.

"Gli scienziati dei materiali e gli scienziati chimici hanno cercato di imitare queste complesse strutture gerarchiche in laboratorio, e pensiamo di avere finalmente qualcosa che nessun altro ha visto, e che possiamo sfruttare per la ricerca futura, " ha detto Robinson.