Naujos biologiškai įkvėptų, šviesą sugeriančių nanomedžiagų klasės sintezė

POSS-peptoido molekulės savaime susirenka į romboidinius nanokristalus. Paskola Stephanie King iliustracija Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinė laboratorija

Gamtos įkvėpti Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos (PNNL) mokslininkai, bendradarbiaudami su Vašingtono valstijos universitetu, sukūrė naują medžiagą, galinčią užfiksuoti šviesos energiją. Ši medžiaga suteikia labai efektyvią dirbtinės šviesos surinkimo sistemą, galimą naudoti fotoelektroje ir bioįvaizdavime.

Tyrimas suteikia pagrindą įveikti sudėtingus hierarchiškai funkcinių organinių-neorganinių hibridinių medžiagų kūrimo iššūkius. Gamta pateikia gražių hierarchiškai sukonstruotų hibridinių medžiagų, tokių kaip kaulai ir dantys, pavyzdžių. Šios medžiagos paprastai tiksliai sureguliuoja atomus, leidžiančios pasiekti labai unikalias savybes, tokias kaip stiprumas ir ilgaamžiškumas.

PNNL medžiagų mokslininkas Chun-Lonas Chenas, šio tyrimo bendraautorius, ir jo kolegos sukūrė naują medžiagą, atspindinčią natūralių hibridinių medžiagų struktūrinį-funkcinį sudėtingumą. Ši medžiaga sujungia į baltymus panašios sintetinės molekulės programuojamumą ir silikato pagrindo nanodalelių sudėtingumą, kad būtų sukurta nauja didelio stiprumo, stiprių nanokristalų klasė. Tada jie užprogramavo šią 2D hibridinę medžiagą, kad sukurtų labai efektyvią saulės šviesos rinkimo sistemą.

„Ar yra galingiausias mūsų energijos šaltinis“, – sakė Chenas. “Mes norėjome sužinoti, ar galėtume užprogramuoti savo hibridinius nekristalus, kad kauptų šviesos energiją, pavyzdžiui, natūralius augalus ir fotosintetines bakterijas, tuo pačiu pasiekdami didelį stiprumą ir darbingumą, matomą sintetinėse sistemose.” Šio tyrimo rezultatai buvo paskelbti 2021 m. Gegužės 14 d Mokslo pažanga,

Chun-Long Chen

Medžiagų mokslininkas Chun-lon Chenas įkvėpimo gauna iš natūralių medžiagų naujoms medžiagoms. Paskola. Andrea Starr Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos nuotr

Didelės svajonės, maži kristalai

Nors tokio tipo hierarchiškai struktūrizuotas medžiagas sukurti yra labai sunku, daugiadisciplininė Cheno mokslininkų komanda sujungė savo žinias sintezuodama nuoseklią molekulę, galinčią sukurti tokią tvarką. Mokslininkai sukūrė modifikuotą į baltymus panašią struktūrą, vadinamą peptoidu, prie vieno galo pritvirtindama tikslią į silikatą panašią struktūrą (sutrumpintai POSS). Tada jie nustatė, kad esant tinkamoms sąlygoms, jie galėtų paskatinti šias molekules susivienyti į puikiai susiformavusius 2D nanopluoštų kristalus. Tai sukūrė į ląstelių membraną panašaus sudėtingumo sluoksnį, panašų į natūralias hierarchines struktūras, išlaikant aukštą atskirų molekulių stabilumą ir sustiprintas mechanines savybes.

„Kaip materialistė, gamta man suteikia daug įkvėpimo“, – sakė Chenas. “Kiekvieną kartą, kai noriu susikurti molekulę, kad ji atliktų kažką konkretaus, pavyzdžiui, žaisčiau narkotikų gabenimo automobilį, beveik visada galiu rasti natūralų pavyzdį, kaip vėliau modeliuoti kiaušinius.”

POSS peptidas

POSS-peptoid nanokristalai yra labai efektyvi šviesos surinkimo sistema, sugerianti sužadinamą šviesą ir skleidžianti fluorescencinį signalą. Ši sistema gali būti naudojama vaizduoti gyvas ląsteles. Paskola. Chun-Long Chen Yang Song nacionalinės Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų laboratorijos iliustracija

Biomasės medžiagų projektavimas

Kai komanda sėkmingai sukūrė šiuos POSS-peptoid nanokristalus, pademonstravo jų unikalias savybes, įskaitant didelio našumo, jie pradėjo šias savybes išnaudoti. Jie suprogramavo medžiagą, kad įtrauktų specifines funkcines grupes tam tikrose vietose tarp molekulių atstumu. Kadangi šie nanokristalai sujungia POSS stiprumą ir stabilumą su peptidų blokų struktūros kintamumu, programavimo galimybės buvo begalinės.

Iš naujo ieškodami įkvėpimo gamtoje, mokslininkai sukūrė sistemą, kuri gali užfiksuoti šviesos energiją augaluose randamų pigmentų pavidalu. Jie pridėjo porą specialių „donorinių“ molekulių – vandalinių struktūrų, kurios galėtų „akceptoriaus“ molekulę surišti į konkrečias nanokristalų vietas. Donoro molekulės absorbuoja šviesą tam tikru bangos ilgiu; jos perduoda šviesos energiją receptorių molekulėms. Tada receptorių molekulės skleidžia skirtingu bangos ilgiu. Įrodyta, kad ši nauja sistema yra efektyvesnė nei 96% energijos, todėl ji yra viena iš efektyviausių tokio tipo vandens surinkimo sistemų, apie kurias pranešta iki šiol.

POSS-peptoidų naudojimo šviesos ekstrakcijai demonstravimas

Norėdami parodyti šios sistemos naudojimą, mokslininkai įvedė nanokristalus į gyvas žmogaus ląsteles kaip biologiškai suderinamą zondą gyvų ląstelių vaizdavimui. Kai ląstelėms šviečia tam tikros spalvos šviesa են yra receptorių molekulių, ląstelės skleidžia kitos spalvos šviesą. Kai receptoriaus molekulių nėra, spalvos pokyčiai nepastebimi. Nors kol kas komanda tik parodė šios sistemos naudingumą vaizduojant gyvas ląsteles, patobulintos šios 2D hibridinės medžiagos savybės ir didelis programavimas verčia juos tikėti, kad tai yra viena iš daugelio programų.

„Nors šie tyrimai vis dar yra tik pradinėje stadijoje, struktūriniai POSS-peptoid 2D nanokristalų ypatumai – didelis energijos perdavimas gali būti pritaikytas įvairiose sistemose, pradedant fotovoltais ir baigiant fotokatalize“, – sakė Chenas. Jis ir jo kolegos toliau ieškos būdų, kaip panaudoti šią naują hibridinę medžiagą.

Nuoroda. „Mogmingas Wangas, Yang Songas, Shuai Zhangas, Xinas Zhangas, Xiaoli Cai, Yuehe Linas, Jamesas J. De Yoreo և Chun-Long Chenas, 2021 m. Gegužės 14 d., Mokslo pažanga,
DOI: 10.1126 / sciadv.abg1448:

Kiti šio tyrimo autoriai: Jamesas Amesas De Joreonas, Mingmingas Wangas, Shuai Hang Angas և Sin Hang Angas iš PNNL և Song Young ու Yuee Linas iš Vašingtono valstybinio universiteto. Su organizacija taip pat yra susiję Shuai Zhangas, Jamesas De Yoreo և Chun-Longas Chenas. Vašingtono universitetasŠį darbą parėmė JAV Energetikos departamento pagrindinė energetikos mokslo programa, kuri yra Vašingtono universiteto Energetikos ribų tyrimų centro sintezės mokslo centro dalis.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Naujasis „Ultrathin Liquid Liquid Crystal Metalens“ siūlo elektrinį padidinimą

Cornell հայ „Samsung“ inžinierių sukurtas ultragarso, elektra valdomų metalų konceptualus perteikimas. Paskola Danieliui Schilkinui Kornelio taikomosios inžinerijos mokyklos tyrėjai's „Samsung“ pirmaujantis technologijų institutas sukūrė...

Naujos keistų, išnykusių driežų rūšys – tokios keistos, kad buvo neteisingai identifikuotos kaip dinozauras su kolibriu

„Oculudentavis naga“, kaip pavaizduota šio menininko rekonstrukcijoje, buvo keistas driežas, kurį tyrėjai iš pradžių sunkiai skirstė į kategorijas. Jie vis dar nėra tikri...

Kavos mėgėjai, mėgaukitės! Gausus kavos vartojimas susijęs su sumažėjusia širdies nepakankamumo rizika

Tyrimo ataskaita: Išanalizavus tris pagrindinius širdies ligų tyrimus nustatyta, kad geriant vieną ar daugiau kavos su kofeinu puodelių buvo sumažinta širdies nepakankamumo rizika. Kavos be kofeino...

Atominė dalelė paversta antiteze ir pirmą kartą atvirkštinė nepaprasto eksperimento metu.

Fizikų komanda, įskaitant Warwick universitetą, įrodė, kad subatominės dalelės gali virsti ego antagonistais ir vėl grįžti į naują atradimą, ką tik atskleistą praėjusią savaitę. „Šis...

36 Nykštukų galaktikos kartu buvo „Naujųjų žvaigždžių kūdikių bumas“

„Rutgers“ išvados nėra skirtos ginčyti dabartinių idėjų apie galaktikų atsiradimą ir gali padidinti mūsų supratimą apie visatą. Kreditas: Rutgerso universitetas, Naujasis Bransvikas Stebina tai, kaip...

Newsletter

Subscribe to stay updated.