I ett drag som säkerligen kommer att glädja både kemister och människor som gillar metaforer om små fabriker, har forskare konstruerat en ihålig CdS@polydopamin-nanoreaktor som efterliknar två nyckeldrag hos levande celler. Designen, publicerad i Journal of the American Chemical Society, erbjuder ett nytt sätt att återskapa cellernas högt organiserade kemiska funktioner i syntetiska nanomaterial. Huvudforskaren Prof. LI Can från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid Chinese Academy of Sciences (CAS), tillsammans med Prof. Jian Lius team vid Inner Mongolia University, är hjärnorna bakom detta mikroskopiska underverk.

Celler är i grunden de ursprungliga överpresterarna: de utför komplexa biokemiska reaktioner med exceptionell effektivitet och precision genom att kompartmentalisera komponenter i noggrant kontrollerade utrymmen. Forskare, som aldrig låter biologin överglänsa dem, tillämpar nu dessa principer på konstruerade nanomaterial. Detta fält, kallat nanocellteknik, syftar till att skapa celliknande strukturer med specialiserade ytor och inre porer eller håligheter. Dessa syntetiska system, ofta kallade nanoreaktorer, är i huvudsak kärleksbarnet av cellbiologi och nanoteknik.

Den nya nanoreaktorn har två biomimetiska egenskaper. För det första har den ett dynamiskt katekol/o-bensokinon redoxpar i sitt polydopaminskal, som fungerar som en protonrelä snarare än en protonpump. Detta par påskyndar protonkopplad elektronöverföring (PCET), en process där protoner och elektroner rör sig i takt. För det andra har den en kompartmentaliserad struktur: en nanoskala ihålig kavitet omgiven av ett poröst skal, vilket skapar en begränsad miljö som fångar fotoner och låter reaktanter ackumuleras. Det är som ett litet, soldrivet kemilabb med eget väntrum.

Dessa egenskaper hjälper till att balansera reaktionshastigheterna för syrereduktion och vattenoxidation, två halvreaktioner som måste samverka för att producera väteperoxid. Under synligt ljus i en vattenlösning uppnådde nanoreaktorn en H2O2-fotosynteshastighet på 3,24 mmol gcat.-1 h-1 och en sol-till-kemisk omvandlingseffektivitet på 1,2%. För att förstå hur det hela fungerar använde forskarna in situ-spektroskopi, fotokemisk analys, finita elementsimuleringar och teoretiska beräkningar. De bäddade också in nanoreaktorerna i en natriumalginathydrogelmatris, vilket skapade fasta, återvinningsbara fotokatalysatorer som kontinuerligt kan syntetisera H2O2 under naturligt solljus samtidigt som de bibehåller stabil prestanda.

"Vår studie ger en ny strategi för att konstruera biomimetiska nanoreaktorer som i allt högre grad efterliknar levande cellers sofistikerade funktioner, vilket öppnar nya möjligheter inom artificiell fotosyntes, energikatalys och syntetisk kemi," sade Prof. Li. Så nästa gång du ser en växt göra sin fotosyntesgrej, kom ihåg: vi är ett steg närmare att göra det i ett provrör, men med mer polydopamin.