Les systèmes biologiques se présentent sous toutes les formes, tailles et structures. Certaines de ces structures, tels que ceux trouvés dans l'ADN, ARN et protéines, sont formés par des interactions moléculaires complexes qui ne sont pas facilement dupliquées par des matériaux inorganiques.

Une équipe de recherche dirigée par Richard Robinson, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux, ont découvert un moyen de lier et d'empiler des grappes nanométriques de molécules de cuivre qui peuvent s'auto-assembler et imiter ces structures complexes de biosystèmes à différentes échelles de longueur. Les clusters fournissent une plate-forme pour développer de nouvelles propriétés catalytiques qui vont au-delà de ce que les matériaux traditionnels peuvent offrir.

Le noyau du nanocluster se connecte à deux capuchons en cuivre équipés de molécules de liaison spéciales, appelés ligands, qui sont inclinés comme des pales d'hélice.

Le papier de l'équipe, "Complexité hiérarchique tertiaire dans les assemblages d'amas chiraux métalliques à pont de soufre, " publié le 27 juillet dans le Journal de l'American Chemical Society .

"Le simple fait de pouvoir créer des amas inorganiques et de localiser avec précision les positions atomiques est un domaine relativement nouveau, car les amas inorganiques ne s'assemblent pas facilement en cristaux organisés comme le font les molécules organiques. Lorsque nous les avons assemblés, ce que nous avons trouvé était si étrange, organisation hiérarchique totalement inattendue, " dit Robinson, l'auteur principal de l'article. "Ce travail pourrait fournir une compréhension fondamentale de la façon dont les biosystèmes comme les protéines s'assemblent pour créer une organisation structurelle secondaire, et cela nous donne l'opportunité de commencer à créer quelque chose qui pourrait imiter un système vivant naturel."

Les nanoclusters ont trois niveaux d'organisation avec un emboîtement, conception chirale. Deux capuchons en cuivre sont équipés de molécules de liaison spéciales, appelés ligands, qui sont inclinés comme des pales d'hélice, avec un ensemble inclinable dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (ou gaucher et droitier), tous se connectant à un noyau. Les clusters de cuivre sont pontés avec du soufre, et ont un état d'oxydation mixte, ce qui les rend plus actifs dans les réactions chimiques.

La flexibilité des clusters, la nature adaptative en fait des candidats potentiels pour les processus métaboliques et enzymatiques, ainsi que l'accélération des réactions chimiques par catalyse. Par exemple, ils peuvent être capables de réduire le dioxyde de carbone en alcools et hydrocarbures.

"Nous aimerions développer des matériaux catalytiques avec des caractéristiques qui imitent les enzymes naturelles, " a déclaré le co-auteur Jin Suntivich, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux. "Parce que notre cluster n'a que 13 atomes de cuivre, l'accordabilité est plus contrôlable qu'une nanoparticule avec des centaines ou des milliers d'atomes. Avec ce niveau de contrôle plus élevé, nous pouvons penser à construire les clusters de manière systématique. Cela peut aider à révéler comment chaque atome participe aux réactions et comment en concevoir rationnellement une meilleure. Nous le voyons comme un pont vers les enzymes, où les atomes sont assemblés de manière précise pour permettre une catalyse hautement sélective."

Collaboration radicale

Alors que d'autres amas inorganiques ont tendance à échanger des électrons et à modifier leurs propriétés lorsqu'ils sont exposés à l'oxygène, les ligands stabilisent le nanocluster sur des cycles de vie de plus en plus longs, ce qui le rend fiable et stable à l'air. Et parce que les ligands sont de puissants conducteurs d'électrons, les clusters peuvent être utiles en électronique organique, l'informatique quantique et les commutateurs optiques.

Le groupe de Robinson cherche maintenant à reproduire la même hiérarchie à trois niveaux avec d'autres métaux.

"Les scientifiques des matériaux et les scientifiques en chimie ont essayé d'imiter ces structures hiérarchiques complexes en laboratoire, et nous pensons que nous avons enfin quelque chose que personne d'autre n'a vu, et sur lesquels nous pouvons nous appuyer pour de futures recherches, ", a déclaré Robinson.