Inspirerad av naturen, forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), tillsammans med medarbetare från Washington State University, skapat ett nytt material som kan fånga ljusenergi. Detta material ger ett högeffektivt system för artificiellt ljusupptagning med potentiella tillämpningar inom solceller och bioavbildning.

Forskningen ger en grund för att övervinna de svåra utmaningar som är involverade i skapandet av hierarkiska funktionella organisk-oorganiska hybridmaterial. Naturen ger vackra exempel på hierarkiskt strukturerade hybridmaterial som ben och tänder. Dessa material visar vanligtvis upp ett exakt atomarrangemang som gör att de kan uppnå många exceptionella egenskaper, såsom ökad styrka och seghet.

PNNL materialforskare Chun-Long Chen, motsvarande författare till denna studie, och hans medarbetare skapade ett nytt material som återspeglar den strukturella och funktionella komplexiteten hos naturliga hybridmaterial. Detta material kombinerar programmerbarheten hos en proteinliknande syntetisk molekyl med komplexiteten hos ett silikatbaserat nanokluster för att skapa en ny klass av mycket robusta nanokristaller. De programmerade sedan detta 2D-hybridmaterial för att skapa ett mycket effektivt artificiellt ljusskördssystem.

"Solen är den viktigaste energikällan vi har, ", sa Chen. "Vi ville se om vi kunde programmera våra hybrid nanokristaller för att skörda ljusenergi - ungefär som naturliga växter och fotosyntetiska bakterier kan - samtidigt som vi uppnår en hög robusthet och bearbetbarhet som ses i syntetiska system." Resultaten av denna studie publicerades 14 maj, 2021, i Vetenskapens framsteg .

Stora drömmar, små kristaller

Även om dessa typer av hierarkiskt strukturerade material är exceptionellt svåra att skapa, Chens multidisciplinära team av forskare kombinerade sin expertkunskap för att syntetisera en sekvensdefinierad molekyl som kan bilda ett sådant arrangemang. Forskarna skapade en förändrad proteinliknande struktur, kallas en peptoid, och fäste en exakt silikatbaserad burliknande struktur (förkortat POSS) till ena änden av den. De fann då att under rätt förutsättningar, de kunde få dessa molekyler att själva montera ihop till perfekt formade kristaller av 2D nanoark. Detta skapade ytterligare ett lager av cellmembranliknande komplexitet som liknar den som ses i naturliga hierarkiska strukturer samtidigt som de individuella molekylernas höga stabilitet och förbättrade mekaniska egenskaper bibehölls.

"Som materialvetare, naturen ger mig mycket inspiration", sa Chen. "När jag vill designa en molekyl för att göra något specifikt, som t.ex. fungera som ett läkemedelsleveransmedel, Jag kan nästan alltid hitta ett naturligt exempel att modellera mina mönster efter."

Designa bioinspirerade material

När teamet framgångsrikt skapade dessa POSS-peptoid nanokristaller och visade deras unika egenskaper inklusive hög programmerbarhet, de gav sig sedan i kast med att exploatera dessa egenskaper. De programmerade materialet för att inkludera speciella funktionella grupper på specifika platser och intermolekylära avstånd. Eftersom dessa nanokristaller kombinerar styrkan och stabiliteten hos POSS med variationen hos den peptoida byggstenen, programmeringsmöjligheterna var oändliga.

Återigen titta till naturen för inspiration, forskarna skapade ett system som kunde fånga ljusenergi på samma sätt som pigment som finns i växter. De lade till par av speciella "donator"-molekyler och burliknande strukturer som kunde binda en "acceptor"-molekyl på exakta platser i nanokristallen. Donatormolekylerna absorberar ljus vid en specifik våglängd och överför ljusenergin till acceptormolekylerna. Acceptormolekylerna avger sedan ljus med en annan våglängd. Detta nyskapade system visade en energiöverföringseffektivitet på över 96 %, vilket gör det till ett av de mest effektiva vattenhaltiga ljusskördesystemen i sitt slag som hittills rapporterats.

Visar användningen av POSS-peptoider för lätt skörd

För att visa upp användningen av detta system, forskarna satte sedan in nanokristallerna i levande mänskliga celler som en biokompatibel sond för levande cellavbildning. När ljus av en viss färg lyser på cellerna och acceptormolekylerna är närvarande, cellerna avger ett ljus av en annan färg. När acceptormolekylerna är frånvarande, färgförändringen observeras inte. Även om teamet hittills bara visat användbarheten av detta system för levande cellavbildning, de förbättrade egenskaperna och den höga programmerbarheten hos detta 2D-hybridmaterial får dem att tro att detta är en av många applikationer.

"Även om denna forskning fortfarande är i ett tidigt skede, de unika strukturella egenskaperna och den höga energiöverföringen av POSS-peptoid 2D nanokristaller har potential att appliceras på många olika system, från solceller till fotokatalys, " sa Chen. Han och hans kollegor kommer att fortsätta att utforska vägar för tillämpning av detta nya hybridmaterial.