La conception de nouveaux matériaux sophistiqués est en pleine évolution technologique. Les innovations en science des matériaux promettent des améliorations transformatrices dans des secteurs allant de l'énergie à la fabrication.

Dans une nouvelle étude, les chercheurs du Biodesign Institute de l'ASU et leurs collègues explorent de nouveaux matériaux dotés de propriétés physiques pouvant être personnalisées pour répondre à des besoins particuliers. L'œuvre s'inspire des mécanismes de la nature, où la structure tridimensionnelle complexe des protéines environnantes influence les propriétés électrochimiques des métaux à leur noyau.

Les progrès pourraient avoir de vastes implications pour la conception de nombreuses nouvelles innovations utiles pour la technologie des semi-conducteurs, énergie durable et production industrielle.

Monde matériel

L'auteur principal Brian Wadsworth et ses collaborateurs décrivent des techniques pour immobiliser des complexes métalliques sur des supports physiques à la fois transparents et conducteurs. Les matériaux hybrides obtenus permettent un contrôle synthétique de la configuration, permettant aux chercheurs de réguler la navette des électrons au sein du matériau composite.

Un contrôle précis des performances des matériaux peut être réalisé par la modification des interfaces des matériaux. Selon l'auteur correspondant Gary Moore, "à chaque fois que deux choses se touchent, ils forment une interface. Les interfaces de matériaux sont au cœur de notre travail. » C'est dans ces régions que des modifications conçues pour ajuster les propriétés physiques d'un matériau ont lieu.

La présente étude étend les efforts antérieurs du groupe avec les matériaux semi-conducteurs, qui impliquait la capture et la conversion de l'énergie solaire pour produire des carburants. Pour y parvenir, il faut être capable de contrôler les réactions et les entités chimiques qui augmentent leur vitesse, appelés catalyseurs. "Notre utilisation de molécules sur des surfaces peut avoir un large éventail d'applications, y compris la conversion de l'énergie solaire, catalyse, et la fabrication de produits chimiques via la chimie verte, " dit Moore.

En plus de Wadsworth et Moore, tous deux chercheurs du Biodesign Center for Applied Structural Discovery, l'équipe comprend Diana Khusnutdinova et Jennifer M. Urbine, (anciennement au Biodesign Institute et actuellement à Intel et au programme doctoral de l'UC Irvine, respectivement). Ahlea S. Reyes, qui a commencé à travailler dans le laboratoire Moore en tant qu'élève du secondaire et est actuellement étudiant de premier cycle à l'ASU, également contribué à la nouvelle étude.

La recherche fait la couverture du dernier numéro de la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS .

Centre de contrôle

Les catalyseurs jouent un rôle vital dans les processus impliquant la conversion d'énergie et sont importants à la fois en biologie et en technologie. La présente étude fournit des informations précieuses qui pourraient conduire à des progrès en matière d'efficacité, fiabilité et évolutivité des solutions énergétiques durables. La crise énergétique croissante accélère les efforts pour mieux comprendre l'électrochimie des nouveaux matériaux et ouvre de vastes possibilités pour les nouvelles technologies.

Les catalyseurs conventionnels comme ceux utilisés dans l'industrie sont généralement basés sur des surfaces bidimensionnelles. Ici, les réactifs sont réunis afin de produire un produit souhaité. Les catalyseurs accélèrent la vitesse de telles réactions. L'une des transformations les plus fondamentales est la production d'hydrogène, où les électrons et les protons sont réunis pour former de l'hydrogène moléculaire. Dans ce cas, le platine est couramment utilisé comme catalyseur.

La nature, cependant, a trouvé un moyen moins coûteux et plus efficace de produire de l'hydrogène. "La biologie n'utilise pas de feuilles de platine en deux dimensions, " explique Moore. Au lieu de cela, les formes de vie effectuent cette transformation à l'aide d'enzymes spécialisées. "Les enzymes contiennent souvent des centres métalliques où se produit la réactivité, mais leur spécificité vient de leurs structures tridimensionnelles uniques."

Leur approche unique aboutit à des matériaux inspirés de ces architectures tridimensionnelles afin de guider des réactions qui rassemblent de multiples substrats, des substances sur lesquelles agissent les catalyseurs. Création d'environnements de matière molle en trois dimensions, semblables à ceux trouvés dans les protéines, permet aux chercheurs d'appliquer un contrôle précis de ces réactions à la fois dans l'espace et dans le temps.

"Brian a élaboré une approche pour fixer des revêtements moléculaires relativement minces, y compris les polymères, sur une surface d'électrode, " dit Moore. " Maintenant, ces surfaces d'électrodes ont des environnements moléculaires tridimensionnels, où nous pouvons délibérément déposer un centre métallique. où les électrons sont gagnés ou perdus.

Surmonter la fatigue du métal

La méthode permet de surmonter l'un des principaux facteurs limitants dans la conception de catalyseurs efficaces. Les catalyseurs conventionnels utilisent généralement des métaux des terres rares comme le platine, lequel, comme leur nom l'indique, sont rares et très coûteux. Au lieu, en créant un matériau hybride tridimensionnel constitué de composants homogènes structurellement bien définis qui sont liés à une structure de support hétérogène, le matériau synthétique peut être fabriqué avec des métaux beaucoup moins chers et plus riches en terre comme le cobalt (utilisé dans la présente étude). Les auteurs soulignent que ces innovations peuvent non seulement réduire le coût des nouveaux matériaux, mais aussi améliorer leur efficacité et leur stabilité. "De nouveau, c'est la partie bio-inspirée de notre vision pour le développement de ces revêtements moléculaires, " dit Moore.

Afin de concevoir le nouveau matériau, Wadsworth utilise certaines des chimies de fixation sophistiquées développées dans des travaux antérieurs sur les semi-conducteurs collecteurs de lumière. Les expériences décrites dans le nouvel article étudient les effets de l'application de ces chimies aux surfaces de matériaux conducteurs. Cela permet aux chercheurs de sonder directement les propriétés électrochimiques des centres métalliques intégrés. « Nous obtenons des informations mécanistiques sur la façon dont les matériaux mous ou les environnements de type protéine contrôlent la chimie se produisant au centre du métal, " dit Wadsworth.

Une fois que les complexes contenant du métal sont liés à la surface de l'électrode, l'environnement moléculaire environnant peut être subtilement modifié pour altérer les réponses redox. "Chaque transformation chimique implique des changements de structure et d'énergie qui sont associés à un potentiel chimique, ", dit Moore. "Les revêtements rapportés dans ce travail permettent aux centres métalliques immobilisés en surface de fonctionner sur une gamme de potentiels relativement large pour des applications dans une gamme de processus chimiques et de technologies émergentes."

Catalyser la recherche

Certaines de ces nouvelles idées ont récemment été discutées lors de la conférence de la Winter Inter-American Photochemical Society (I-APS), qui a eu lieu à Sarasota, Floride, 2 au 5 janvier, 2020. La conférence animée a été co-organisée par Moore et sa collègue Elizabeth Young de l'Université de Lehigh et a réuni des scientifiques de premier plan dans tous les domaines des sciences photochimiques, d'Amérique du Nord et du Sud.

Lors de la réunion, Wadsworth a présenté une affiche intitulée "Bridging Concepts between Heterogeneous-, Homogène-, and Bio-Catalysis to Model Photoelectrosynthetic Reactions" et a reçu un prix soutenu par la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS , (le même journal présentant l'histoire de couverture de la recherche actuelle).

Les chercheurs pensent que l'une des forces des stratégies bio-inspirées et moléculaires est la diversité de structure et de fonction que cette approche permet. "La diversité apporte une créativité accrue et favorise l'innovation. Cette notion est exploitée non seulement dans les matériaux que nous construisons, mais aussi dans l'équipe de chercheurs qui guident l'évolution continue de notre science, " dit Moore. " Le travail actuel présente des contributions de l'école secondaire, premier cycle, diplômé, et des étudiants de troisième cycle du monde entier."