W posunięciu, które z pewnością ucieszy zarówno chemików, jak i ludzi lubiących metafory o maleńkich fabrykach, naukowcy skonstruowali pusty nanoreaktor CdS@polydopamina, który naśladuje dwie kluczowe cechy żywych komórek. Projekt, opublikowany w Journal of the American Chemical Society, oferuje świeże podejście do odtwarzania wysoce zorganizowanych funkcji chemicznych komórek w syntetycznych nanomateriałach. Główny badacz, prof. LI Can z Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) Chińskiej Akademii Nauk (CAS), wraz z zespołem prof. Jian Liu z Inner Mongolia University, są mózgami tego mikroskopijnego cudu.

Komórki są w zasadzie oryginalnymi overachieverami: przeprowadzają złożone reakcje biochemiczne z wyjątkową wydajnością i precyzją, kompartmentalizując składniki w ściśle kontrolowanych przestrzeniach. Naukowcy, nigdy nie pozwalając biologii na pokazanie im, gdzie raki zimują, teraz stosują te zasady w inżynierii nanomateriałów. Ta dziedzina, zwana inżynierią nanokomórek, ma na celu tworzenie struktur przypominających komórki z wyspecjalizowanymi powierzchniami i wewnętrznymi porami lub wnękami. Te syntetyczne systemy, często nazywane nanoreaktorami, są w zasadzie dzieckiem biologii komórkowej i nanotechnologii.

Nowy nanoreaktor ma dwie biomimetyczne cechy. Po pierwsze, ma dynamiczną parę redoks katechol/o-benzochinon w swojej powłoce z polidopaminy, która działa jako przekaźnik protonów, a nie pompa protonowa. Ta para przyspiesza sprzężone z protonami przeniesienie elektronu (PCET), proces, w którym protony i elektrony poruszają się w idealnej synchronizacji. Po drugie, ma skompartmentalizowaną strukturę: nanometrową pustą wnękę otoczoną porowatą powłoką, tworzącą zamknięte środowisko, które zatrzymuje fotony i pozwala na gromadzenie się reagentów. To jak maleńkie, zasilane słońcem laboratorium chemiczne z własną poczekalnią.

Te cechy pomagają zrównoważyć szybkości reakcji redukcji tlenu i utleniania wody, dwóch półreakcji, które muszą współpracować, aby uzyskać nadtlenek wodoru. Pod wpływem światła widzialnego w roztworze wodnym nanoreaktor osiągnął szybkość fotosyntezy H2O2 wynoszącą 3,24 mmol gcat.-1 h-1 i wydajność konwersji słoneczno-chemicznej na poziomie 1,2%. Aby zrozumieć, jak to wszystko działa, naukowcy zastosowali spektroskopię in situ, analizę fotochemiczną, symulacje metodą elementów skończonych i obliczenia teoretyczne. Osadzili również nanoreaktory w matrycy hydrożelu alginianu sodu, tworząc stałe, nadające się do recyklingu fotokatalizatory, które mogą w sposób ciągły syntetyzować H2O2 w naturalnym świetle słonecznym, zachowując stabilną wydajność.

„Nasze badanie dostarcza nowej strategii inżynierii biomimetycznych nanoreaktorów, które w coraz większym stopniu odwzorowują wyrafinowane funkcje żywych komórek, otwierając nowe możliwości w sztucznej fotosyntezie, katalizie energetycznej i chemii syntetycznej” – powiedział prof. Li. Więc następnym razem, gdy zobaczysz roślinę robiącą swoje fotosyntezowe rzeczy, pamiętaj: jesteśmy o krok bliżej do robienia tego w probówce, ale z większą ilością polidopaminy.