Dans une initiative qui ravira à coup sûr les chimistes et les amateurs de métaphores sur les mini-usines, des chercheurs ont construit un nanoréacteur creux en CdS@polydopamine qui imite deux caractéristiques clés des cellules vivantes. La conception, publiée dans le Journal of the American Chemical Society, offre une nouvelle façon de reproduire les fonctions chimiques hautement organisées des cellules dans des nanomatériaux synthétiques. Le chercheur principal, le professeur LI Can de l'Institut de physique chimique de Dalian (DICP) de l'Académie chinoise des sciences (CAS), ainsi que l'équipe du professeur Jian Liu de l'Université de Mongolie intérieure, sont les cerveaux derrière cette merveille microscopique.

Les cellules sont essentiellement les premières surdouées : elles effectuent des réactions biochimiques complexes avec une efficacité et une précision exceptionnelles en compartimentant les composants dans des espaces étroitement contrôlés. Les scientifiques, jamais en reste pour ne pas se laisser surpasser par la biologie, appliquent désormais ces principes aux nanomatériaux conçus. Ce domaine, appelé ingénierie nanocellulaire, vise à créer des structures ressemblant à des cellules avec des surfaces spécialisées et des pores ou cavités internes. Ces systèmes synthétiques, souvent surnommés nanoréacteurs, sont essentiellement le fruit de l'union de la biologie cellulaire et des nanotechnologies.

Le nouveau nanoréacteur arbore deux caractéristiques biomimétiques. Premièrement, il possède une paire redox dynamique catéchol/o-benzoquinone dans sa coquille de polydopamine, qui agit comme un relais de protons plutôt qu'une pompe à protons. Cette paire accélère le transfert d'électrons couplé aux protons (PCET), un processus où les protons et les électrons se déplacent en synchronisation. Deuxièmement, il présente une structure compartimentée : une cavité creuse à l'échelle nanométrique entourée d'une coquille poreuse, créant un environnement confiné qui piège les photons et permet l'accumulation des réactifs. C'est comme un mini-laboratoire de chimie alimenté par le soleil, avec sa propre salle d'attente.

Ces caractéristiques aident à équilibrer les vitesses de réaction de la réduction de l'oxygène et de l'oxydation de l'eau, deux demi-réactions qui doivent travailler en harmonie pour la production de peroxyde d'hydrogène. Sous lumière visible en solution aqueuse, le nanoréacteur a atteint un taux de photosynthèse de H2O2 de 3,24 mmol gcat.-1 h-1 et une efficacité de conversion solaire-chimique de 1,2 %. Pour comprendre comment tout cela fonctionne, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie in situ, l'analyse photochimique, des simulations par éléments finis et des calculs théoriques. Ils ont également intégré les nanoréacteurs dans une matrice d'hydrogel d'alginate de sodium, créant des photocatalyseurs solides et recyclables qui peuvent synthétiser en continu du H2O2 sous la lumière naturelle du soleil tout en maintenant des performances stables.

« Notre étude fournit une nouvelle stratégie pour concevoir des nanoréacteurs biomimétiques qui reproduisent de plus en plus les fonctions sophistiquées des cellules vivantes, ouvrant de nouvelles opportunités en photosynthèse artificielle, catalyse énergétique et chimie de synthèse », a déclaré le professeur Li. Alors, la prochaine fois que vous verrez une plante faire sa photosynthèse, rappelez-vous : nous sommes un peu plus près de le faire dans un tube à essai, mais avec plus de polydopamine.