像自然一样的收获光线:合成一类新的生物启发,光捕获的纳米材料

poss pyptoid分子

足碱分子自组装成菱形纳米晶体。信用:斯蒂芬妮国王的插图|太平洋西北国家实验室

受自然的启发,太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员以及来自华盛顿州立大学的合作者创造了一种能够捕捉光能的新材料。该材料提供了一种高效的人工光收获系统,具有光伏和生物成像中的潜在应用。

该研究为克服了困难的挑战,为克服了分层功能性有机无机混合材料的创建困难的挑战。Nature提供了诸如骨骼和牙齿等分层结构化混合材料的美丽示例。这些材料通常展示精确的原子布置,使它们能够实现许多特殊性质,例如增加的强度和韧性。

PNNL材料科学家Chun-Long Chen,这项研究的相应作者,他的合作者创造了一种新材料,反映了天然混合材料的结构和功能复杂性。该材料将类似蛋白质合成分子的可编程性与硅酸盐的纳米簇的复杂性结合在一起,以产生新的高稳健纳米晶体。然后,它们编程了这款2D混合材料以产生高效的人工光收获系统。

“太阳是我们拥有的最重要的能源,”陈说。“我们想看看我们是否可以将混合纳米晶体编程到收获光能 - 非常像天然植物和光合细菌可以 - 同时实现合成系统中看到的高稳健性和可加工性。”本研究的结果发布于2021年5月14日,科学推进

春龙陈

材料科学家春龙陈发现了对自然结构的新材料的启发。信用:照片由Andrea Starr |太平洋西北国家实验室

大梦,微晶

虽然这些类型的分层结构材料难以创造出来,但陈的多学科科学家团队将其专家知识结合在一起合成能够形成这种布置的序列定义的分子。研究人员创造了一种改变的蛋白质状结构,称为拟肽,并连接到硅酸盐的基于硅酸盐的笼状结构(缩写)到其中的一端。然后,它们发现,在正确的条件下,它们可以诱导这些分子以自组装成2D纳米片的完美形状的晶体。这产生了类似于在天然分层结构中观察到的另一层细胞膜样复杂性,同时保留了各个分子的高稳定性和增强的机械性能。

“作为一种材料科学家,自然为我提供了很多灵感”陈说。“每当我想设计一个分子做一些具体的东西,如充当药物送货车,我几乎总能找到一个自然的例子来模拟我的设计。”

poss peptide

POSS-拟肽纳米晶体形成高效的光收集系统,其吸收励磁光并发出荧光信号。该系统可用于实时细胞成像。信用:春龙陈和杨松的插图|太平洋西北国家实验室

设计生物启发材料

一旦团队成功地创建了这些POSS-PETPOID NANICrystals并展示了它们独特的属性,包括高可编程性,它们就会出发,以利用这些属性。它们对材料进行了编程,包括在特定位置和分子间距的特殊功能组。因为这些纳米晶体结合了足够的拟构块的可变性的强度和稳定性,所以编程可能性是无穷无尽的。

再次展望自然的灵感来源,科学家们创造了一个可以在植物中发现的颜料的方式捕捉光能的系统。它们在纳米晶体内的精确位置添加了一对特殊的“供体”分子和笼状结构。供体分子吸收特定波长的光并将光能转移到受体分子。然后,受体分子以不同的波长发光。这种新创建的系统显示出96%以上的能量转移效率,使其成为迄今为止报告的最有效的水性光收集系统之一。

展示用于光收获的POSS-pypoids的用途

为了展示这种系统的使用,研究人员然后将纳米晶体插入活人细胞中作为活细胞成像的生物相容性探针。当某种颜色闪耀在细胞上并且存在受体分子时,细胞发出不同颜色的光。当不存在受体分子时,未观察到颜色变化。尽管该团队仅展示了该系统的实用细胞成像的有用性,但这2D混合材料的增强性能和高可编程性导致它们相信这是许多应用之一。

“虽然这项研究仍处于早期阶段,但是Poss-pypoid 2D纳米晶体的独特结构特征和高能量转移具有从光伏到光催化的许多不同系统应用于许多不同的系统,”陈说。他和他的同事将继续探索应用这种新的混合材料的途径。

参考:“可编程二维纳米晶体从含有含有的拟合拟合系统中的有效的人工光收集系统”通过明明王,杨松,帅张,辛章,小玉才,岳海林,詹姆斯J. de Yoreo和Chun-long陈,5月14日2021年,科学推进
DOI:10.1126 / sciadv.abg1448

本研究的其他作者包括:James de Yoreo,Mingming Wang,Shuai Zhang,以及来自Pnnl和Song Yang and Yuehe Lin的新Zhang来自华盛顿州立大学。帅张,詹姆斯德·耶和华和春龙陈也隶属于华盛顿大学。这项工作得到了美国能源基础能源科学计划的支持,作为位于华盛顿大学的能源前沿研究中心的综合科学中心的一部分。

3评论“像自然一样的收获光线:合成一类新的生物启发,光捕获的纳米材料”

  1. bonjour ... .merci ......

  2. 非常好

  3. 非常酷,使用自然来教学。

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