In einem Schritt, der sicherlich sowohl Chemiker als auch Menschen, die Metaphern über winzige Fabriken mögen, erfreuen wird, haben Forscher einen hohlen CdS@Polydopamin-Nanoreaktor konstruiert, der zwei Schlüsselmerkmale lebender Zellen nachahmt. Das Design, veröffentlicht im Journal of the American Chemical Society, bietet einen neuen Weg, die hochorganisierten chemischen Funktionen von Zellen in synthetischen Nanomaterialien nachzubilden. Leitender Forscher Prof. LI Can vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) zusammen mit dem Team von Prof. Jian Liu an der Inner Mongolia University sind die Masterminds hinter diesem mikroskopischen Wunderwerk.

Zellen sind im Grunde die ursprünglichen Überflieger: Sie führen komplexe biochemische Reaktionen mit außergewöhnlicher Effizienz und Präzision durch, indem sie Komponenten in streng kontrollierten Räumen abtrennen. Wissenschaftler, die nie zulassen, dass die Biologie sie übertrumpft, wenden diese Prinzipien nun auf technische Nanomaterialien an. Dieses Feld, genannt Nanocell-Engineering, zielt darauf ab, zellähnliche Strukturen mit spezialisierten Oberflächen und inneren Poren oder Hohlräumen zu schaffen. Diese synthetischen Systeme, oft als Nanoreaktoren bezeichnet, sind im Wesentlichen das Liebeskind aus Zellbiologie und Nanotechnologie.

Der neue Nanoreaktor verfügt über zwei biomimetische Merkmale. Erstens hat er ein dynamisches Catechol/o-Benzochinon-Redoxpaar in seiner Polydopamin-Hülle, das als Protonenrelais und nicht als Protonenpumpe fungiert. Dieses Paar beschleunigt den protonengekoppelten Elektronentransfer (PCET), einen Prozess, bei dem Protonen und Elektronen im Gleichschritt wandern. Zweitens besitzt er eine kompartimentierte Struktur: einen nanoskaligen Hohlraum, umgeben von einer porösen Hülle, die eine begrenzte Umgebung schafft, die Photonen einfängt und Reaktanten sich ansammeln lässt. Es ist wie ein winziges, sonnenbetriebenes Chemielabor mit eigenem Wartezimmer.

Diese Merkmale helfen, die Reaktionsgeschwindigkeiten von Sauerstoffreduktion und Wasseroxidation auszugleichen, zwei Halbreaktionen, die für die Wasserstoffperoxidproduktion harmonieren müssen. Unter sichtbarem Licht in wässriger Lösung erreichte der Nanoreaktor eine H2O2-Photosyntheserate von 3,24 mmol gcat.-1 h-1 und eine Solar-zu-Chemie-Umwandlungseffizienz von 1,2%. Um herauszufinden, wie alles funktioniert, verwendeten die Forscher In-situ-Spektroskopie, photochemische Analyse, Finite-Elemente-Simulationen und theoretische Berechnungen. Sie betteten die Nanoreaktoren auch in eine Natriumalginat-Hydrogelmatrix ein und schufen so feste, recycelbare Photokatalysatoren, die unter natürlichem Sonnenlicht kontinuierlich H2O2 synthetisieren können, während sie eine stabile Leistung beibehalten.

"Unsere Studie bietet eine neue Strategie für die Entwicklung biomimetischer Nanoreaktoren, die zunehmend die hochentwickelten Funktionen lebender Zellen nachbilden und neue Möglichkeiten in der künstlichen Photosynthese, Energiekatalyse und synthetischen Chemie eröffnen", sagte Prof. Li. Wenn Sie also das nächste Mal eine Pflanze bei ihrer Photosynthese beobachten, denken Sie daran: Wir sind der Umsetzung im Reagenzglas einen Schritt näher, aber mit mehr Polydopamin.