Китайски изследователи създадоха CdS@polydopamine – нанореактор, който имитира две важни характеристики на живите клетки. Тази разработка предлага нов начин за възпроизвеждане на някои високоорганизирани химически функции на клетките в синтетични наноматериали. Разработката е ръководена от професор Ли Кан от Далианския институт по химична физика (DICP) към Китайската академия на науките (CAS).

Възпроизвеждане на клетъчната химия в наномащаб

Живите клетки извършват сложни биохимични реакции с изключителна ефективност и прецизност. Те постигат това, като организират различни компоненти в строго контролирани пространства, където молекулите могат да се движат, да взаимодействат и да влизат в реакции при внимателно регулирани условия. В момента учените се опитват да приложат същите принципи към инженерните наноматериали. Тази област, известна като наноклетъчно инженерство се стреми да създава клеткоподобни структури със специализирани повърхности и вътрешни пори или кухини. Такива синтетични системи, често наричани нанореактори съчетават идеи от клетъчната биология и нанотехнологиите.

Две характеристики, вдъхновени от клетките

Новият нанореактор съдържа два основни биомиметични елемента. Първият е динамичната редокс-двойка катехол/о-бензохинон, разположена в обвивка от полидопамин. Вместо да функционира като активна протонна помпа, тази химична двойка служи като протонно реле. Чрез многократното приемане и освобождаване на протони тя ускорява съпряжения пренос на електрони и протони (PCET) – процес, при който движението на протоните и електрони е тясно свързано. Втората особеност е компартаментализираната структура на нанореактора. Наноразмерната кухина е обградена от пореста обвивка, образувайки затворена среда, в която могат да се натрупват реагенти. Тази архитектура също така подпомага молекулярната дифузия и улавя входящите фотони, спомагайки светлинните реакции да протичат по-ефективно.

Подобряване на фотосинтезата на водороден пероксид

Заедно тези характеристики помагат за балансиране на различните скорости на реакциите на редукция на кислорода и окисление на водата – двете полуреакции, които трябва да работят съвместно при производството на водороден пероксид. При осветяване с видима светлина във воден разтвор нанореакторът достигна скорост на фотосинтеза на H₂O₂ от 3,24 mmol gcat⁻¹ h⁻¹. Той също така постигна ефективност на преобразуване на слънчевата енергия в химична енергия на ниво 1,2%.

За да определят как функционира системата, изследователите съчетаха спектроскопия, фотохимичен анализ, моделиране с метода на крайните елементи и теоретични изчисления. Тези методи им позволиха да наблюдават процеси, вдъхновени от клетките, и да изяснят фотокаталитичния механизъм, основан на Z-схемен хетеропреход, който е отговорен за реакцията.

Рециклируема система, задвижвана от слънчева енергия

Изследователите също така вградиха нанореактори в екологично безопасна матрица от натриев алгинат. В резултат бяха получени твърди рециклируеми фотокатализатори, които можеха непрекъснато да синтезират H₂O₂ под естествена слънчева светлина, като поддържаха стабилна производителност.

„Нашето изследване предлага нова стратегия за създаване на биомиметични нанореактори, които все по-добре възпроизвеждат сложните функции на живите клетки, отваряйки нови възможности в областта на изкуствената фотосинтеза, енергийния катализа и синтетичната химия.“

заяви професор Ли