Într-o mișcare care va încânta cu siguranță atât chimiștii, cât și persoanele cărora le plac metaforele despre fabrici minuscule, cercetătorii au construit un nanoreactor CdS@polydopamină cu cavitate, care imită două caracteristici cheie ale celulelor vii. Designul, publicat în Journal of the American Chemical Society, oferă o modalitate nouă de a reproduce funcțiile chimice extrem de organizate ale celulelor în nanomateriale sintetice. Cercetătorul principal, Prof. LI Can de la Institutul Dalian de Fizică Chimică (DICP) al Academiei Chineze de Științe (CAS), împreună cu echipa Prof. Jian Liu de la Universitatea din Mongolia Interioară, sunt creierele din spatele acestei minuni microscopice.

Celulele sunt practic originalele supraperformante: ele realizează reacții biochimice complexe cu eficiență și precizie excepționale prin compartimentarea componentelor în spații strict controlate. Oamenii de știință, niciodată dispuși să lase biologia să-i întreacă, aplică acum aceste principii nanomaterialelor proiectate. Acest domeniu, numit inginerie nanocelulară, își propune să creeze structuri asemănătoare celulelor, cu suprafețe specializate și pori sau cavități interne. Aceste sisteme sintetice, adesea numite nanoreactoare, sunt practic copilul iubit al biologiei celulare și al nanotehnologiei.

Noul nanoreactor are două caracteristici biomimetice. În primul rând, are o pereche redox dinamică catecol/o-benzochinonă în învelișul său de polidopamină, care acționează ca un releu de protoni, nu ca o pompă de protoni. Această pereche accelerează transferul de electroni cuplat cu protoni (PCET), un proces în care protonii și electronii se mișcă în tandem. În al doilea rând, are o structură compartimentată: o cavitate goală la scară nanometrică, înconjurată de o înveliș poros, creând un mediu confinat care captează fotonii și permite acumularea reactanților. Este ca un laborator de chimie minuscul, alimentat de soare, cu propria sală de așteptare.

Aceste caracteristici ajută la echilibrarea vitezelor de reacție ale reducerii oxigenului și oxidării apei, două semi-reacții care trebuie să lucreze în armonie pentru producerea peroxidului de hidrogen. Sub lumină vizibilă într-o soluție apoasă, nanoreactorul a atins o rată de fotosinteză a H2O2 de 3,24 mmol gcat.-1 h-1 și o eficiență de conversie solar-chimică de 1,2%. Pentru a înțelege cum funcționează totul, cercetătorii au folosit spectroscopie in situ, analiză fotochimică, simulări cu elemente finite și calcule teoretice. De asemenea, au încorporat nanoreactoarele într-o matrice de hidrogel de alginat de sodiu, creând fotocatalizatori solizi, reciclabili, care pot sintetiza continuu H2O2 sub lumina naturală a soarelui, menținând în același timp o performanță stabilă.

„Studiul nostru oferă o nouă strategie pentru ingineria nanoreactoarelor biomimetice care reproduc tot mai mult funcțiile sofisticate ale celulelor vii, deschizând noi oportunități în fotosinteza artificială, cataliza energetică și chimia sintetică”, a declarat Prof. Li. Așa că, data viitoare când vezi o plantă făcând fotosinteza, amintește-ți: suntem cu un pas mai aproape de a o face într-o eprubetă, dar cu mai multă polidopamină.