Os sistemas biológicos vêm em todas as formas, tamanhos e estruturas. Algumas dessas estruturas, como aqueles encontrados no DNA, RNA e proteínas, são formados por meio de interações moleculares complexas que não são facilmente duplicadas por materiais inorgânicos.

Uma equipe de pesquisa liderada por Richard Robinson, professor associado de ciência e engenharia de materiais, descobriu uma maneira de ligar e empilhar clusters em nanoescala de moléculas de cobre que podem se automontar e imitar essas estruturas complexas do biossistema em diferentes escalas de comprimento. Os clusters fornecem uma plataforma para o desenvolvimento de novas propriedades catalíticas que vão além do que os materiais tradicionais podem oferecer.

O núcleo do nanocluster se conecta a duas tampas de cobre equipadas com moléculas de ligação especiais, conhecidos como ligantes, que são angulares como lâminas de hélice.

O papel da equipe, "Complexidade hierárquica terciária em conjuntos de aglomerados quirais de metal em ponte de enxofre, "publicado em 27 de julho no Jornal da American Chemical Society .

"Apenas ser capaz de criar aglomerados inorgânicos e localizar precisamente as posições atômicas é uma área relativamente nova porque os aglomerados inorgânicos não se agrupam facilmente em cristais organizados como as moléculas orgânicas. o que encontramos foi estranho, organização hierárquica que era completamente inesperada, "disse Robinson, o autor sênior do artigo. "Este trabalho pode fornecer uma compreensão fundamental de como os biossistemas, como as proteínas, se montam para criar uma organização estrutural secundária, e isso nos dá a oportunidade de começar a criar algo que poderia imitar um sistema vivo natural. "

Os nanoclusters têm três níveis de organização com um intertravamento, projeto quiral. Duas tampas de cobre são equipadas com moléculas de ligação especiais, conhecidos como ligantes, que são angulares como lâminas de hélice, com um conjunto inclinado no sentido horário e o outro no sentido anti-horário (ou canhoto e destro), todos se conectando a um núcleo. Os aglomerados de cobre são ligados com enxofre, e têm um estado de oxidação misto, o que os torna mais ativos em reações químicas.

Os clusters são flexíveis, a natureza adaptativa os torna candidatos potenciais para processos metabólicos e enzimáticos, bem como acelerar reações químicas por meio de catálise. Por exemplo, eles podem ser capazes de reduzir o dióxido de carbono a álcoois e hidrocarbonetos.

“Gostaríamos de desenvolver materiais catalíticos com características que imitam enzimas naturais, "disse o co-autor Jin Suntivich, professor associado de ciência e engenharia de materiais. "Porque nosso cluster tem apenas 13 átomos de cobre, a sintonia é mais controlável do que uma nanopartícula com centenas ou milhares de átomos. Com este nível mais alto de controle, podemos pensar em construir os clusters de uma maneira sistemática. Isso pode ajudar a revelar como cada átomo participa das reações e como projetar racionalmente uma melhor. Nós vemos isso como uma ponte para as enzimas, onde os átomos são reunidos de uma maneira precisa para permitir uma catálise altamente seletiva. "

Colaboração radical

Enquanto outros aglomerados inorgânicos tendem a trocar elétrons e alterar suas propriedades quando expostos ao oxigênio, os ligantes estabilizam o nanocluster ao longo de ciclos de vida cada vez mais longos, tornando-o confiável e estável ao ar. E porque os ligantes são fortes condutores de elétrons, os clusters podem ser úteis em eletrônica orgânica, computação quântica e interruptores ópticos de luz.

O grupo de Robinson está agora procurando replicar a mesma hierarquia de três níveis com outros metais.

"Cientistas de materiais e cientistas químicos têm tentado imitar essas estruturas hierárquicas complexas no laboratório, e achamos que finalmente temos algo que ninguém mais viu, e que podemos construir para pesquisas futuras, "Robinson disse.