In una mossa che sicuramente delizierà sia i chimici che le persone che amano le metafore sulle fabbriche in miniatura, i ricercatori hanno costruito un nanoreattore cavo di CdS@polidopamina che imita due caratteristiche chiave delle cellule viventi. Il progetto, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, offre un nuovo modo per riprodurre le funzioni chimiche altamente organizzate delle cellule all'interno di nanomateriali sintetici. Il ricercatore capo Prof. LI Can dell'Istituto di Fisica Chimica di Dalian (DICP) dell'Accademia Cinese delle Scienze (CAS), insieme al team del Prof. Jian Liu dell'Università della Mongolia Interna, sono le menti dietro questa meraviglia microscopica.

Le cellule sono fondamentalmente i perfezionisti originali: eseguono complesse reazioni biochimiche con eccezionale efficienza e precisione compartimentando i componenti in spazi strettamente controllati. Gli scienziati, mai disposti a farsi superare dalla biologia, stanno ora applicando questi principi ai nanomateriali ingegnerizzati. Questo campo, chiamato ingegneria delle nanocellule, mira a creare strutture simili a cellule con superfici specializzate e pori o cavità interne. Questi sistemi sintetici, spesso soprannominati nanoreattori, sono essenzialmente il figlio dell'ingegneria cellulare e della nanotecnologia.

Il nuovo nanoreattore presenta due caratteristiche biomimetiche. In primo luogo, ha una coppia redox dinamica catecolo/o-benzochinone nel suo guscio di polidopamina, che agisce come un relè di protoni piuttosto che una pompa protonica. Questa coppia accelera il trasferimento di elettroni accoppiato a protoni (PCET), un processo in cui protoni ed elettroni si muovono all'unisono. In secondo luogo, vanta una struttura compartimentata: una cavità cava su scala nanometrica circondata da un guscio poroso, creando un ambiente confinato che intrappola i fotoni e consente l'accumulo dei reagenti. È come un laboratorio di chimica alimentato dal sole con la sua sala d'attesa.

Queste caratteristiche aiutano a bilanciare le velocità di reazione della riduzione dell'ossigeno e dell'ossidazione dell'acqua, due semireazioni che devono lavorare in armonia per la produzione di perossido di idrogeno. Sotto luce visibile in soluzione acquosa, il nanoreattore ha raggiunto una velocità di fotosintesi di H2O2 di 3,24 mmol gcat.-1 h-1 e un'efficienza di conversione solare-chimica dell'1,2%. Per capire come funziona il tutto, i ricercatori hanno utilizzato spettroscopia in situ, analisi fotochimica, simulazioni agli elementi finiti e calcoli teorici. Hanno anche incorporato i nanoreattori in una matrice di idrogel di alginato di sodio, creando fotocatalizzatori solidi e riciclabili che possono sintetizzare continuamente H2O2 sotto luce solare naturale mantenendo prestazioni stabili.

"Il nostro studio fornisce una nuova strategia per ingegnerizzare nanoreattori biomimetici che replicano sempre più le sofisticate funzioni delle cellule viventi, aprendo nuove opportunità nella fotosintesi artificiale, nella catalisi energetica e nella chimica sintetica," ha detto il Prof. Li. Quindi, la prossima volta che vedi una pianta fare la sua fotosintesi, ricorda: siamo un passo più vicini a farlo in una provetta, ma con più polidopamina.