Biologiska system finns i alla former, storlekar och strukturer. Vissa av dessa strukturer, som de som finns i DNA, RNA och proteiner, bildas genom komplexa molekylära interaktioner som inte lätt kan dupliceras av oorganiska material.

En forskargrupp ledd av Richard Robinson, docent i materialvetenskap och teknik, upptäckte ett sätt att binda och stapla nanoskala kluster av kopparmolekyler som kan självmontera och efterlikna dessa komplexa biosystemstrukturer i olika längdskalor. Klustren ger en plattform för att utveckla nya katalytiska egenskaper som sträcker sig utöver vad traditionella material kan erbjuda.

Nanoklusterkärnan ansluts till två kopparlock utrustade med speciella bindningsmolekyler, kända som ligander, som är vinklade som propellerblad.

Lagets tidning, "Tertiär hierarkisk komplexitet i sammansättningar av kirala metallkluster med svavelbroar, " publicerad 27 juli i Journal of the American Chemical Society .

"Bara att kunna skapa oorganiska kluster och exakt lokalisera atompositionerna är ett relativt nytt område eftersom oorganiska kluster inte lätt sätts samman till organiserade kristaller som organiska molekyler gör. När vi fick dessa att montera ihop, vad vi hittade var detta konstigt, hierarkisk organisation som var helt oväntad, sa Robinson, tidningens seniorförfattare. "Detta arbete kan ge en grundläggande förståelse för hur biosystem som proteiner sätter ihop sig för att skapa sekundär strukturell organisation, och det ger oss en möjlighet att börja skapa något som kan imitera ett naturligt levande system."

Nanoklustren har tre organisationsnivåer med en sammankopplande, kiral design. Två kopparlock är försedda med speciella bindningsmolekyler, kända som ligander, som är vinklade som propellerblad, med en uppsättning lutande medurs och den andra moturs (eller vänsterhänt och högerhänt), alla anslutna till en kärna. Kopparklusterna är överbryggade med svavel, och har ett blandat oxidationstillstånd, vilket gör dem mer aktiva i kemiska reaktioner.

Klusterna är flexibla, adaptiv natur gör dem till potentiella kandidater för metabola och enzymatiska processer, samt påskynda kemiska reaktioner genom katalys. Till exempel, de kanske kan reducera koldioxid till alkoholer och kolväten.

"Vi skulle vilja utveckla katalytiska material med egenskaper som efterliknar naturliga enzymer, " sa medförfattaren Jin Suntivich, docent i materialvetenskap och teknik. "Eftersom vårt kluster bara har 13 kopparatomer, avstämbarheten är mer kontrollerbar än en nanopartikel med hundratals eller tusentals atomer. Med denna högre nivå av kontroll, vi kan tänka på att bygga klustren på ett systematiskt sätt. Detta kan hjälpa till att avslöja hur varje atom deltar i reaktioner och hur man rationellt utformar en bättre. Vi ser det som en bro till enzymer, där atomerna är sammansatta på ett exakt sätt för att möjliggöra mycket selektiv katalys."

Radikalt samarbete

Medan andra oorganiska kluster tenderar att byta elektroner och ändra deras egenskaper när de utsätts för syre, liganderna stabiliserar nanoklustret över längre och längre livscykler, vilket gör den tillförlitligt luftstabil. Och eftersom liganderna är starka ledare av elektroner, klustren kan vara användbara i organisk elektronik, kvantberäkningar och ljusoptiska omkopplare.

Robinsons grupp undersöker nu att replikera samma trenivåhierarki med andra metaller.

"Materialforskare och kemiska forskare har försökt efterlikna dessa komplexa hierarkiska strukturer i labbet, och vi tror att vi äntligen har något som ingen annan har sett, och som vi kan bygga vidare på för framtida forskning, sa Robinson.