這項研究為克服創(chuàng)建分層功能性有機-無機混合材料所涉及的困難挑戰(zhàn)提供了基礎。自然界提供了分層結構混合材料的例子，如骨骼和牙齒。這些材料通常展示了精確的原子排列，使它們能夠實現(xiàn)許多特殊的性能，如增加強度和韌性。
PNNL材料科學家，本研究的通訊作者陳春龍和他的合作者創(chuàng)造了一種新材料，反映了天然混合材料的結構和功能的復雜性。這種材料結合了類似蛋白質的合成分子的可編程性和基于硅酸鹽的納米團塊的復雜性，創(chuàng)造了一類新的高度堅固的納米晶體。然后他們對這種二維混合材料進行編程，創(chuàng)造出一個高效的人工光收集系統(tǒng)。
“太陽是我們最重要的能源，”陳春龍說。“我們想看看我們是否能對我們的混合納米晶體進行編程，以收獲光能--就像天然植物和光合菌一樣--同時實現(xiàn)合成系統(tǒng)中所看到的高魯棒性和可操作性。”這項研究的結果于5月14日發(fā)表在《科學進展》上。
大夢想，小晶體
盡管這些類型的分層結構材料異常難以創(chuàng)造，但陳春龍所在的多學科科學家團隊結合他們的專業(yè)知識，合成了一種能夠形成這種排列的序列定義的分子。研究人員創(chuàng)造了一個改變的類似于蛋白質的結構，稱為peptoid，并將一個精確的基于硅酸鹽的籠狀結構（簡寫為POSS）連接到它的一端。然后他們發(fā)現(xiàn)，在適當?shù)臈l件下，他們可以誘導這些分子自我組裝成二維納米片的完美形狀的晶體。這創(chuàng)造了另一層類似于細胞膜的復雜性，類似于在自然分層結構中看到的，同時保留了單個分子的高穩(wěn)定性和增強的機械性能。
陳春龍表示：“作為一名材料科學家，大自然為我提供了大量的靈感。每當我想設計一個分子來做一些特定的事情，比如作為一個藥物輸送工具，我?guī)缀蹩偸悄苷业揭粋€自然的例子來模擬我的設計。”
設計生物啟發(fā)材料
一旦該團隊成功創(chuàng)建了這些POSS-eptoid納米晶體，并證明了其獨特的特性，包括高可編程性，他們就開始利用這些特性。他們對材料進行編程，使其在特定的位置和分子間的距離上包含特殊的功能團。由于這些納米晶體結合了POSS的強度和穩(wěn)定性以及Peptoid構件的可變性，編程的可能性是無窮的。
科學家們再次從大自然中尋找靈感，創(chuàng)造了一個能夠以植物中發(fā)現(xiàn)的色素的方式捕捉光能的系統(tǒng)。他們增加了一對特殊的“供體”分子和籠狀結構，可以在納米晶體內的精確位置結合一個 "受體 "分子。供體分子吸收特定波長的光，并將光能轉移到受體分子上。然后受體分子發(fā)出不同波長的光。這個新創(chuàng)建的系統(tǒng)顯示了超過96%的能量轉移效率，使其成為迄今為止報告的最有效的水性光收集系統(tǒng)之一。
展示POSS-peptoids在光收集方面的用途
為了展示該系統(tǒng)的用途，研究人員隨后將納米晶體插入活的人類細胞中，作為活細胞成像的生物兼容探針。當某種顏色的光照在細胞上，并且接受體分子存在時，細胞會發(fā)出不同顏色的光。當受體分子不存在時，就觀察不到顏色的變化。盡管到目前為止，該團隊只證明了這一系統(tǒng)對活體細胞成像的有用性，但這種二維混合材料的增強特性和高度可編程性使他們相信這是許多應用中的一個。
陳春龍表示：“盡管這項研究仍處于早期階段，但POSS-eptoid二維納米晶體的獨特結構特征和高能量轉移有可能被應用于許多不同的系統(tǒng)，從光伏到光催化。他和他的同事將繼續(xù)探索這種新混合材料的應用途徑。”
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