علماء يبنون مفاعلاً صغيراً مستوحى من الخلايا يحوّل ضوء الشمس إلى بيروكسيد الهيدروجين، لأن لا شيء يمنع

في خطوة ستسعد بالتأكيد الكيميائيين والأشخاص الذين يستمتعون بالاستعارات حول المصانع الصغيرة، بنى الباحثون مفاعلاً نانويًا مجوفًا من CdS@polydopamine يحاكي ميزتين رئيسيتين للخلايا الحية. التصميم، الذي نُشر في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، يقدم طريقة جديدة لإعادة إنتاج الوظائف الكيميائية عالية التنظيم للخلايا داخل مواد نانوية اصطناعية. الباحث الرئيسي البروفيسور لي كان من معهد داليان للفيزياء الكيميائية (DICP) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (CAS)، مع فريق البروفيسور جيان ليو في جامعة منغوليا الداخلية، هم العقول المدبرة وراء هذه الأعجوبة المجهرية.

الخلايا هي في الأساس المتفوقون الأصليون: فهي تؤدي تفاعلات كيميائية حيوية معقدة بكفاءة ودقة استثنائيتين عن طريق تقسيم المكونات في مساحات محكمة التحكم. العلماء، الذين لا يسمحون أبدًا لعلم الأحياء بأن يتفوق عليهم، يطبقون الآن هذه المبادئ على المواد النانوية المهندسة. هذا المجال، المسمى هندسة الخلايا النانوية، يهدف إلى إنشاء هياكل شبيهة بالخلايا ذات أسطح متخصصة ومسامات أو تجاويف داخلية. هذه الأنظمة الاصطناعية، التي غالبًا ما تسمى المفاعلات النانوية، هي في الأساس نتاج حب بين علم الأحياء الخلوي وتقنية النانو.

يتميز المفاعل النانوي الجديد بميزتين تحاكيان الطبيعة. أولاً، يحتوي على زوج أكسدة-اختزال ديناميكي من الكاتيكول/أورثو-بنزوكينون في غلافه من البوليدوبامين، والذي يعمل كمرحّل بروتوني وليس مضخة بروتونية. هذا الزوج يسرّع نقل الإلكترون المقرون بالبروتون (PCET)، وهي عملية تتحرك فيها البروتونات والإلكترونات بشكل متزامن. ثانيًا، يتميز ببنية مقسمة: تجويف مجوف على نطاق نانوي محاط بغلاف مسامي، مما يخلق بيئة محصورة تحبس الفوتونات وتسمح للمواد المتفاعلة بالتراكم. إنه مثل مختبر كيمياء صغير يعمل بالطاقة الشمسية مع غرفة انتظار خاصة به.

هذه الميزات تساعد في تحقيق التوازن بين سرعات تفاعل اختزال الأكسجين وأكسدة الماء، وهما تفاعلان نصفيان يجب أن يعملا بتناغم لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين. تحت الضوء المرئي في محلول مائي، حقق المفاعل النانوي معدل تثبيت ضوئي لـ H2O2 يبلغ 3.24 مليمول غرام-1 ساعة-1 وكفاءة تحويل شمسي إلى كيميائي تبلغ 1.2%. لمعرفة كيفية عمله، استخدم الباحثون التحليل الطيفي الموضعي، والتحليل الكيميائي الضوئي، ومحاكاة العناصر المحدودة، والحسابات النظرية. كما قاموا بتضمين المفاعلات النانوية في مصفوفة هيدروجيل من ألجينات الصوديوم، مما أنشأ محفزات ضوئية صلبة قابلة لإعادة التدوير يمكنها تصنيع H2O2 بشكل مستمر تحت ضوء الشمس الطبيعي مع الحفاظ على أداء مستقر.

قال البروفيسور لي: "دراستنا توفر استراتيجية جديدة لهندسة المفاعلات النانوية المحاكية للطبيعة التي تحاكي بشكل متزايد الوظائف المتطورة للخلايا الحية، مما يفتح فرصًا جديدة في التمثيل الضوئي الاصطناعي، وتحفيز الطاقة، والكيمياء الاصطناعية." لذا، في المرة القادمة التي ترى فيها نباتًا يقوم بعملية التمثيل الضوئي، تذكر فقط: نحن أقرب خطوة إلى القيام بذلك في أنبوب اختبار، ولكن مع المزيد من البوليدوبامين.