Designen av sofistikerade nya material genomgår snabba tekniska framsteg. Innovationer inom materialvetenskap lovar transformativa förbättringar inom industrier som sträcker sig från energi till tillverkning.

I en ny studie, forskare vid ASU:s Biodesign Institute och deras kollegor utforskar nya material med fysiska egenskaper som kan skräddarsys för att passa specifika behov. Verket är inspirerat av mekanismer i naturen, där den komplexa tredimensionella strukturen hos omgivande proteiner påverkar de elektrokemiska egenskaperna hos metaller i kärnan.

Framstegen kan ha breda konsekvenser för utformningen av många nya innovationer som är användbara för halvledarteknik, hållbar energi och industriell produktion.

Materiell värld

Huvudförfattaren Brian Wadsworth och hans medarbetare beskriver tekniker för att immobilisera metallkomplex på fysiska stöd som är både transparenta och ledande. De resulterande hybridmaterialen tillåter syntetisk kontroll över konfigurationen, tillåta forskare att reglera pendling av elektroner i kompositmaterialet.

Exakt kontroll över materialets prestanda kan åstadkommas genom modifiering av materialgränssnitt. Enligt motsvarande författare Gary Moore, "när som helst två saker rör varandra, de bildar ett gränssnitt. Materialgränssnitt är centrala i vårt arbete. "Det är i dessa regioner som modifieringar som är utformade för att justera materialets fysiska egenskaper äger rum.

Den aktuella studien utökar gruppens tidigare insatser med halvledarmaterial, vilket innebar insamling och omvandling av solenergi till bränsleproduktion. För att uppnå detta krävs förmågan att kontrollera reaktioner och kemiska enheter som ökar deras hastighet, kända som katalysatorer. "Vår användning av molekyler på ytor kan ha ett brett spektrum av applikationer, inklusive konvertering av solenergi, katalys, och kemisk tillverkning via grön kemi, "Säger Moore.

Förutom Wadsworth och Moore, båda forskarna i Biodesign Center for Applied Structural Discovery, i teamet ingår Diana Khusnutdinova och Jennifer M. Urbine, (tidigare vid Biodesign Institute och för närvarande vid Intel och doktorandprogrammet vid UC Irvine, respektive). Ahlea S. Reyes, som började arbeta i Moore -labbet som gymnasieelev och för närvarande är grundutbildning vid ASU, bidragit också till den nya studien.

Forskningen pryder omslaget till det senaste numret av tidskriften ACS -tillämpade material och gränssnitt .

Kontrollcenter

Katalysatorer spelar en viktig roll i processer som involverar energiomvandling och är viktiga i både biologi och teknik. Den aktuella studien ger värdefull information som kan leda till framsteg i effektivitet, tillförlitlighet och skalbarhet för hållbara energilösningar. Den stigande energikrisen sätter ansträngningar för att bättre förstå elektrokemi av nya material på snabbspåret och öppnar långtgående möjligheter för ny teknik.

Konventionella katalysatorer som de som används i industrin är vanligtvis baserade på tvådimensionella ytor. Här, reaktanter sammanförs för att producera en önskad produkt. Katalysatorer påskyndar hastigheten på sådana reaktioner. En av de mest grundläggande transformationerna är väteproduktion, där elektroner och protoner samlas för att bilda molekylärt väte. I detta fall, platina används vanligtvis som katalysator.

Natur, dock, har hittat ett billigare och mer effektivt sätt för väteproduktion. "Biologi använder inte tvådimensionella ark av platina, "Förklarar Moore. I stället livsformer genomför denna omvandling med hjälp av specialiserade enzymer. "Enzymer innehåller ofta metallcentra där reaktiviteten förekommer, men deras specificitet kommer från deras unika tredimensionella strukturer. "

Deras unika tillvägagångssätt resulterar i material inspirerade av sådana tredimensionella arkitekturer för att styra reaktioner som sammanför flera substrat-ämnen som katalysatorer verkar på. Skapa tredimensionella mjukmiljöer, liknande de som finns i proteiner, tillåter forskare att tillämpa finkornig kontroll av dessa reaktioner i både rum och tid.

"Brian har utarbetat ett tillvägagångssätt för att fästa relativt tunna molekylära beläggningar, inklusive polymerer, på en elektrodyta, "Säger Moore." Nu har dessa elektrodytor tredimensionella molekylära miljöer, där vi avsiktligt kan avsätta ett metallcentrum. "Dessa metallcentrum är platserna för så kallad reduktion-oxidation eller redoxreaktioner, där elektroner vinns eller förloras.

Att övervinna metalltrötthet

Metoden hjälper till att övervinna en av de främsta begränsande faktorerna vid utformning av effektiva katalysatorer. Konventionella katalysatorer använder vanligtvis sällsynta jordartsmetaller som platina, som, som namnet antyder, är knappa och mycket kostsamma. Istället, genom att skapa ett tredimensionellt hybridmaterial bestående av strukturellt väldefinierade homogena komponenter som är bundna till en heterogen stödstruktur, det syntetiska materialet kan tillverkas med mycket billigare och mer jordartiga metaller som kobolt (används i den aktuella studien). Författarna betonar att dessa innovationer inte bara kan minska kostnaderna för nya material utan också förbättra deras effektivitet och stabilitet. "På nytt, det är den bioinspirerade delen av vår vision för att utveckla dessa molekylära beläggningar, "Säger Moore.

För att designa det nya materialet, Wadsworth använder några av de sofistikerade vidhäftningskemierna som utvecklats i tidigare arbete med ljussamlande halvledare. Experiment som beskrivs i det nya dokumentet undersöker effekterna av att applicera dessa kemier på ytorna på ledande material. Detta gör det möjligt för forskarna att direkt undersöka de elektrokemiska egenskaperna hos de inbäddade metallcentren. "Vi får mekanistisk information om hur det mjuka materialet eller proteinliknande miljöer styr kemin i metallcentret, "Säger Wadsworth.

När de metallinnehållande komplexen är bundna till elektrodytan, den omgivande molekylära miljön kan modifieras subtilt för att ändra redoxresponserna. "Varje kemisk transformation innebär förändringar i struktur och energi som är förknippade med en kemisk potential, "Säger Moore." Beläggningarna som rapporteras i detta arbete gör det möjligt för de ytimmobiliserade metallcentralerna att arbeta över en relativt stor potential för applikationer inom en rad olika kemiska processer och ny teknik. "

Katalyserande forskning

Några av dessa nya idéer diskuterades nyligen vid konferensen Winter Inter-American Photochemical Society (I-APS), som ägde rum i Sarasota, Florida, 2-5 januari, 2020. Den livliga konferensen organiserades av Moore och hans kollega Elizabeth Young från Lehigh University och samlade ledande forskare inom alla områden inom fotokemiska vetenskaper, från Nord- och Sydamerika.

På mötet, Wadsworth presenterade en affisch med titeln "Bridging Concepts between Heterogenous-, Homogen-, och biokatalys för att modellera fotoelektrosyntetiska reaktioner "och fick ett pris som stöds av tidskriften ACS -tillämpade material och gränssnitt , (samma tidskrift med den aktuella forskningsomslaget).

Forskarna tror att en av styrkorna med bioinspirerade och molekylärbaserade strategier är mångfalden i struktur och funktion som detta tillvägagångssätt möjliggör. "Mångfald ger ökad kreativitet och främjar innovation. Denna uppfattning utnyttjas inte bara i de material vi bygger, men också i forskargruppen som styr den pågående utvecklingen av vår vetenskap, "Säger Moore." Det nuvarande arbetet innehåller bidrag från gymnasiet, grundutbildning, examen, och forskarstuderande från hela världen. "