Synthèse d’une nouvelle classe de nanomatériaux inspirés de la capture de lumière

Inspirés par la nature, les chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), ainsi que des collaborateurs de l’Université de l’État de Washington, ont créé un nouveau matériau capable de capter l’énergie lumineuse. Ce matériau fournit un système de collecte de lumière artificielle très efficace avec des applications potentielles dans le photovoltaïque et la bioimagerie.

La recherche fournit une base pour surmonter les défis difficiles impliqués dans la création de matériaux hiérarchiques fonctionnels organiques et inorganiques. La nature offre de beaux exemples de matériaux hybrides à structure hiérarchique tels que les os et les dents. Ces matériaux présentent généralement une disposition atomique précise qui leur permet d’atteindre de nombreuses propriétés exceptionnelles, telles qu’une résistance et une durabilité accrues.

Chun-Long Chen, scientifique des matériaux de PNNL, l’auteur correspondant de cette étude, et ses collaborateurs ont créé un nouveau matériau qui reflète la complexité structurelle et fonctionnelle des hybrides de matériaux naturels. Ce matériau combine la programmabilité d’une molécule synthétique semblable à une protéine avec la complexité d’un nanocristallin à base de silicate pour créer une nouvelle classe de nanocristaux très robustes. Ensuite, ils ont programmé cet hybride 2D pour créer un synthétique hautement efficace LumièreSystème de récolte.

«Le soleil est notre source d’énergie la plus importante», a déclaré Chen. «Nous voulions voir si nous pouvions programmer nos nanocristaux hybrides pour la récolte Puissance optique– Tout comme les plantes naturelles et les bactéries photosynthétisantes – tout en obtenant une résistance et une malléabilité élevées dans les systèmes synthétiques. Les résultats de cette étude ont été publiés le 14 mai 2021 dans Progrès scientifiques.

Grands rêves, petits cristaux

Bien qu’il soit difficile de créer ces types de matériaux avec une structure exceptionnellement hiérarchique, l’équipe interdisciplinaire de scientifiques de Chen a combiné ses connaissances d’experts pour assembler une molécule spécifique en séquence capable de former un tel arrangement. Les chercheurs ont créé une variante de structure semblable à une protéine, appelée peptide, et ont attaché une structure délicate en forme de cage à base de silicates (en abrégé POSS) à une extrémité. Ensuite, ils découvrent que dans les bonnes conditions, ils peuvent le déclencher Molécules Pour l’auto-assemblage dans des cristaux parfaitement formés à partir de feuilles 2D à l’échelle nanométrique. Cela a créé une autre couche de complexité semblable à une membrane cellulaire similaire à celle observée dans les structures hiérarchiques normales tout en maintenant la stabilité plus élevée et les propriétés mécaniques améliorées des molécules individuelles.

« En tant que scientifique des matériaux, la nature me fournit beaucoup d’inspiration », a déclaré Chen. «Chaque fois que je veux concevoir une molécule pour faire quelque chose de spécifique, comme agir comme moyen de délivrer des médicaments, je peux toujours trouver un exemple naturel pour modéliser mes conceptions par la suite.

Conception matérielle inspirée de la vitalité

Une fois que l’équipe a réussi à créer ces nanocristaux peptoïdes POSS et a démontré leurs propriétés uniques, y compris une haute programmabilité, ils ont ensuite procédé à l’exploitation de ces propriétés. Ils ont programmé le matériel pour inclure des groupes fonctionnels spéciaux à des emplacements spécifiques et à des distances intermoléculaires. Étant donné que ces nanocristaux combinent la force et la stabilité du POSS avec la diversité du bloc de construction peptidique, les possibilités de programmation étaient infinies.

Une fois de plus, les scientifiques sont à la recherche d’inspiration dans la nature, les scientifiques ont créé un système capable de capter beaucoup l’énergie lumineuse comme le font les pigments des plantes. Ils ont ajouté des paires de molécules «donneuses» spéciales et des structures en forme de cage qui peuvent se lier à la molécule «réceptrice» à des emplacements spécifiques dans le nanocristallin. Les particules donneuses absorbent la lumière à une longueur d’onde spécifique et transfèrent l’énergie de la lumière aux molécules réceptrices. Ensuite, les particules photoréceptrices sont émises avec une longueur d’onde différente. Ce système nouvellement créé a montré une efficacité de transmission d’énergie de plus de 96%, ce qui en fait l’un des systèmes de collecte de lumière d’eau les plus efficaces de ce type jamais rapporté.

Démonstration des utilisations des POSS-peptoïdes pour la récolte de lumière

Pour démontrer l’utilisation de ce système, les chercheurs ont ensuite inséré des nanocristaux dans des cellules humaines vivantes en tant que sonde biocompatible pour l’imagerie de cellules vivantes. Lorsque la lumière d’une certaine couleur brille sur les cellules et que des molécules réceptrices sont présentes, les cellules émettent une lumière d’une couleur différente. Lorsque les particules réceptrices sont absentes, le changement de couleur n’est pas observé. Bien que l’équipe n’ait jusqu’ici démontré que l’utilité de ce système pour l’imagerie de cellules vivantes, les propriétés améliorées et la haute programmabilité de ce matériau hybride 2D leur font croire qu’il s’agit de l’une des nombreuses applications.

«Bien que cette recherche en soit encore à ses débuts, les caractéristiques structurelles uniques et le transfert d’énergie élevé des nanocristaux peptoïdes 2D POSS ont le potentiel d’être appliqués à de nombreux systèmes différents, du photovoltaïque à la photocatalyse», a déclaré Chen. Lui et ses collègues continueront d’explorer les moyens d’appliquer ce nouveau matériau hybride.