In een zet die zowel scheikundigen als mensen met een voorliefde voor metaforen over mini-fabriekjes zal verheugen, hebben onderzoekers een holle CdS@polydopamine nanoreactor gebouwd die twee belangrijke kenmerken van levende cellen nabootst. Het ontwerp, gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society, biedt een nieuwe manier om de sterk georganiseerde chemische functies van cellen na te bootsen in synthetische nanomaterialen. Hoofdonderzoeker Prof. LI Can van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), samen met het team van Prof. Jian Liu aan de Binnen-Mongoolse Universiteit, zijn de breinen achter dit microscopische wonder.

Cellen zijn eigenlijk de oorspronkelijke overpresteerders: ze voeren complexe biochemische reacties uit met uitzonderlijke efficiëntie en precisie door componenten te compartimenteren in strak gecontroleerde ruimtes. Wetenschappers, die zich nooit laten kennen door de biologie, passen deze principes nu toe op technische nanomaterialen. Dit veld, nanocel-engineering genaamd, streeft ernaar celachtige structuren te creëren met gespecialiseerde oppervlakken en interne poriën of holtes. Deze synthetische systemen, vaak nanoreactoren genoemd, zijn in wezen het liefdeskind van celbiologie en nanotechnologie.

De nieuwe nanoreactor heeft twee biomimetische kenmerken. Ten eerste heeft het een dynamisch catechol/o-benzochinon redoxpaar in zijn polydopamine schil, dat fungeert als een protonrelais in plaats van een protonpomp. Dit paar versnelt proton-gekoppelde elektronenoverdracht (PCET), een proces waarbij protonen en elektronen in de pas bewegen. Ten tweede heeft het een gecompartimenteerde structuur: een nanogrootte holle holte omgeven door een poreuze schil, die een afgesloten omgeving creëert die fotonen vasthoudt en reactanten laat ophopen. Het is als een klein, op zonne-energie werkend scheikundelab met een eigen wachtkamer.

Deze kenmerken helpen de reactiesnelheden van zuurstofreductie en wateroxidatie in evenwicht te brengen, twee halfreacties die in harmonie moeten werken voor de productie van waterstofperoxide. Onder zichtbaar licht in een waterige oplossing bereikte de nanoreactor een H2O2-fotosynthesesnelheid van 3,24 mmol gcat.-1 h-1 en een zonne-naar-chemische conversie-efficiëntie van 1,2%. Om te achterhalen hoe het allemaal werkt, gebruikten de onderzoekers in-situ spectroscopie, fotochemische analyse, eindige-elementensimulaties en theoretische berekeningen. Ze ingebed de nanoreactoren ook in een natriumalginaat hydrogelmatrix, waardoor vaste, recycleerbare fotokatalysatoren ontstaan die continu H2O2 kunnen synthetiseren onder natuurlijk zonlicht terwijl ze stabiele prestaties behouden.

"Onze studie biedt een nieuwe strategie voor het ontwikkelen van biomimetische nanoreactoren die steeds meer de verfijnde functies van levende cellen nabootsen, wat nieuwe mogelijkheden opent in kunstmatige fotosynthese, energie-katalyse en synthetische chemie," zei Prof. Li. Dus, de volgende keer dat je een plant zijn fotosynthese-ding ziet doen, onthoud dan: we zijn weer een stap dichter bij het doen in een reageerbuis, maar met meer polydopamine.