Hem kimyagerleri hem de minik fabrikalar hakkındaki metaforlardan hoşlanan insanları kesinlikle memnun edecek bir hamleyle araştırmacılar, canlı hücrelerin iki temel özelliğini taklit eden içi boş bir CdS@polidopamin nanoreaktörü inşa ettiler. Journal of the American Chemical Society'de yayınlanan tasarım, hücrelerin oldukça organize kimyasal işlevlerini sentetik nanomalzemeler içinde yeniden üretmek için yeni bir yol sunuyor. Çin Bilimler Akademisi (CAS) Dalian Kimya Fiziği Enstitüsü'nden (DICP) Baş Araştırmacı Prof. LI Can ve İç Moğolistan Üniversitesi'nden Prof. Jian Liu'nun ekibi bu mikroskobik harikanın arkasındaki beyinler.

Hücreler temelde orijinal başarıcılardır: bileşenleri sıkı kontrol edilen alanlarda bölümlere ayırarak olağanüstü verimlilik ve hassasiyetle karmaşık biyokimyasal reaksiyonlar gerçekleştirirler. Bilim insanları, biyolojinin kendilerini gölgede bırakmasına asla izin vermeyen türden, şimdi bu ilkeleri mühendislik ürünü nanomalzemelere uyguluyor. Nanohücre mühendisliği adı verilen bu alan, özelleşmiş yüzeylere ve iç gözeneklere veya boşluklara sahip hücre benzeri yapılar oluşturmayı amaçlıyor. Genellikle nanoreaktörler olarak adlandırılan bu sentetik sistemler, esasen hücre biyolojisi ve nanoteknolojinin aşk çocuğudur.

Yeni nanoreaktör iki biyomimetik özelliğe sahiptir. İlk olarak, polidopamin kabuğunda proton pompasından ziyade proton rölesi görevi gören dinamik bir katekol/o-benzokinon redoks çifti vardır. Bu çift, protonların ve elektronların adım adım hareket ettiği bir süreç olan proton eşleşmiş elektron transferini (PCET) hızlandırır. İkinci olarak, bölümlere ayrılmış bir yapıya sahiptir: gözenekli bir kabukla çevrili nanoskopik içi boş bir boşluk, fotonları hapseden ve reaktanların birikmesine izin veren sınırlı bir ortam yaratır. Kendi bekleme odası olan minik, güneş enerjili bir kimya laboratuvarı gibi.

Bu özellikler, hidrojen peroksit üretimi için uyum içinde çalışması gereken iki yarı reaksiyon olan oksijen indirgeme ve su oksidasyonunun reaksiyon hızlarını dengelemeye yardımcı olur. Sulu bir çözeltide görünür ışık altında, nanoreaktör 3.24 mmol gcat.-1 sa-1'lik bir H2O2 fotosentez hızına ve %1.2'lik bir güneş-kimyasal dönüşüm verimliliğine ulaştı. Her şeyin nasıl çalıştığını anlamak için araştırmacılar in situ spektroskopi, fotokimyasal analiz, sonlu eleman simülasyonları ve teorik hesaplamalar kullandılar. Ayrıca nanoreaktörleri bir sodyum aljinat hidrojel matrisine gömdüler ve doğal güneş ışığı altında sürekli H2O2 sentezleyebilen, kararlı performansını koruyan katı, geri dönüştürülebilir fotokatalizörler oluşturdular.

Prof. Li, "Çalışmamız, canlı hücrelerin karmaşık işlevlerini giderek daha fazla taklit eden biyomimetik nanoreaktörler tasarlamak için yeni bir strateji sağlıyor ve yapay fotosentez, enerji katalizi ve sentetik kimyada yeni fırsatlar yaratıyor" dedi. Yani, bir dahaki sefere bir bitkinin fotosentez yaptığını gördüğünüzde, şunu unutmayın: bunu bir test tüpünde yapmaya bir adım daha yaklaştık, ama daha fazla polidopaminle.