p Inspirado pela natureza, pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), junto com colaboradores da Washington State University, criou um novo material capaz de capturar a energia da luz. Este material fornece um sistema de coleta de luz artificial altamente eficiente com aplicações potenciais em fotovoltaica e bioimagem. p A pesquisa fornece uma base para superar os difíceis desafios envolvidos na criação de materiais híbridos orgânico-inorgânicos funcionais hierárquicos. A natureza fornece belos exemplos de materiais híbridos hierarquicamente estruturados, como ossos e dentes. Esses materiais normalmente apresentam um arranjo atômico preciso que lhes permite alcançar muitas propriedades excepcionais, como maior resistência e resistência.

p Chun-Long Chen, cientista de materiais do PNNL, autor correspondente deste estudo, e seus colaboradores criaram um novo material que reflete a complexidade estrutural e funcional dos materiais híbridos naturais. Este material combina a programabilidade de uma molécula sintética semelhante a uma proteína com a complexidade de um nanocluster à base de silicato para criar uma nova classe de nanocristais altamente robustos. Em seguida, eles programaram esse material híbrido 2D para criar um sistema de coleta de luz artificial altamente eficiente.

p “O sol é a fonte de energia mais importante que temos, ", disse Chen." Queríamos ver se podíamos programar nossos nanocristais híbridos para coletar energia luminosa - da mesma forma que as plantas naturais e as bactérias fotossintéticas - enquanto alcançamos uma alta robustez e processabilidade vista em sistemas sintéticos. " 14 de maio, 2021, no Avanços da Ciência .

p Grandes sonhos, cristais minúsculos

p Embora esses tipos de materiais estruturados hierarquicamente sejam excepcionalmente difíceis de criar, A equipe multidisciplinar de cientistas de Chen combinou seu conhecimento especializado para sintetizar uma molécula definida por sequência capaz de formar tal arranjo. Os pesquisadores criaram uma estrutura semelhante à proteína alterada, chamado de peptóide, e anexado uma estrutura semelhante a uma gaiola baseada em silicato precisa (POSS abreviado) a uma extremidade dele. Eles então descobriram que, sob as condições certas, eles poderiam induzir essas moléculas a se automontar em cristais perfeitamente moldados de nanofolhas 2D. Isso criou outra camada de complexidade semelhante à da membrana celular, semelhante à vista em estruturas hierárquicas naturais, ao mesmo tempo que retém a alta estabilidade e as propriedades mecânicas aprimoradas das moléculas individuais.

p "Como cientista de materiais, a natureza me fornece muita inspiração ", disse Chen." Sempre que quero projetar uma molécula para fazer algo específico, tais como atuar como um veículo de entrega de drogas, Quase sempre consigo encontrar um exemplo natural para modelar meus projetos. "

p Projetando materiais bioinspirados

p Depois que a equipe criou com sucesso esses nanocristais de POSS-peptóide e demonstrou suas propriedades exclusivas, incluindo alta programabilidade, eles então começaram a explorar essas propriedades. Eles programaram o material para incluir grupos funcionais especiais em locais específicos e distâncias intermoleculares. Como esses nanocristais combinam a força e a estabilidade do POSS com a variabilidade do bloco de construção peptóide, as possibilidades de programação eram infinitas.

p Mais uma vez olhando para a natureza em busca de inspiração, os cientistas criaram um sistema que poderia capturar a energia da luz da mesma forma que os pigmentos encontrados nas plantas. Eles adicionaram pares de moléculas "doadoras" especiais e estruturas semelhantes a gaiolas que poderiam se ligar a uma molécula "aceptora" em locais precisos dentro do nanocristal. As moléculas doadoras absorvem luz em um comprimento de onda específico e transferem a energia da luz para as moléculas aceitadoras. As moléculas aceitadoras então emitem luz em um comprimento de onda diferente. Este sistema recém-criado exibiu uma eficiência de transferência de energia de mais de 96%, tornando-o um dos sistemas aquosos de coleta de luz mais eficientes de seu tipo relatados até agora.

p Demonstrando o uso de POSS-peptóides para coleta de luz

p Para mostrar o uso deste sistema, os pesquisadores então inseriram os nanocristais em células humanas vivas como uma sonda biocompatível para imagens de células vivas. Quando a luz de uma determinada cor brilha nas células e as moléculas aceitadoras estão presentes, as células emitem uma luz de cor diferente. Quando as moléculas aceitadoras estão ausentes, a mudança de cor não é observada. Embora a equipe só tenha demonstrado a utilidade deste sistema para imagens de células vivas até agora, as propriedades aprimoradas e a alta capacidade de programação desse material híbrido 2D os leva a acreditar que essa é uma das muitas aplicações.

p "Embora esta pesquisa ainda esteja em seus estágios iniciais, as características estruturais únicas e a alta transferência de energia dos nanocristais 2D de POSS-peptóide têm o potencial de serem aplicados a muitos sistemas diferentes, da fotovoltaica à fotocatálise, "disse Chen. Ele e seus colegas continuarão a explorar caminhos para a aplicação deste novo material híbrido.