Enzymer är naturens bästa katalysatorer i nanoskala, och visar ofta vad som kallas katalytisk allosteri – det vill säga, reaktioner på en plats som påverkar reaktioner på en annan plats, vanligtvis några nanometer bort, utan direkt interaktion mellan reaktanterna.
Nanopartiklar av olika material, såsom metall, kan också fungera som katalysatorer för kemiska omvandlingar på sina egna ytor, och deras ytaktiva platser kan kopplas elektroniskt. Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi vid institutionen för kemi och kemisk biologi, tar sin bakgrund i enzymstudier och tillämpar den på sin andra forskningsspecialitet:singelmolekylkatalys.
Hans grupp har publicerat en artikel i Naturkemi , kulmen på studieår, som lägger fram ett konceptuellt ramverk för att förstå hur en nanokatalysatorpartikel fungerar. Arbetet skulle kunna bidra till bättre design av syntetiska nanokatalysatorer längre fram.
"Co-operativ Communication Within and Between Single Nanocatalysts" publicerades den 26 mars. Huvudförfattare är tidigare doktorander Ningmu Zou och Guanqun Chen, och tidigare postdoktor Xiaochun Zhou.
Med tanke på hans enzymbakgrund, Chen undrade:Kan reaktioner på olika ytplatser på samma nanokatalysator kommunicera med varandra, liknar allosteriska enzymer?
"Vi hade redan utvecklat ett sätt att kartlägga katalytiska reaktioner på en enda katalysator, på ett spatiotemporalt [rum och tid] löst sätt, sa Chen, vars grupp publicerade en artikel i ämnet förra året. "För varje reaktion som sker på en katalysatorpartikel, vi vet var det hände och när det hände. Sedan kom jag på frågan om reaktioner på olika ställen, på samma katalysator, kan prata med varandra."
Genom att använda enmolekylär fluorescensmikroskopi, Chen och gruppen fann att katalytiska reaktioner på en enda katalysator i nanoskala – i det här fallet, nanopartiklar av guld och palladium – kan verkligen kommunicera med varandra, sannolikt via rörelse av positiva laddningsbärare som kallas hål. Gruppen testade detta på två typer av nanokatalysatormorfologier, och tre distinkta typer av katalytiska transformationer.
De fann också att reaktioner på separata guldnanokatalysatorer kommunicerar med varandra, över ännu större avstånd, genom diffusion av negativt laddade reaktionsprodukter. Denna kommunikation är analog med "spillover"-effekten inom ytvetenskap, sa Chen.
Båda dessa representerar första i sitt slag observationer som involverar individuella nanokatalysatorer.
"Detta ger en ny sorts konceptuell ram för att förstå hur en katalysatorpartikel i nanoskala fungerar, " sa Chen.
Även om tillämpningen av dessa observationer på verklig utveckling av icke-biologiska nanokatalysatorer ligger långt in i framtiden, denna upptäckt driver grundläggande vetenskap mot det målet, sa Chen. "Om man kan dra nytta av den viktiga egenskapen hos enzymer i en icke-biologisk katalysator, kanske det finns ett sätt att förbättra katalysatorns funktion, " han sa.
