Inspiré par la nature, chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), avec des collaborateurs de la Washington State University, a créé un nouveau matériau capable de capturer l'énergie lumineuse. Ce matériau fournit un système de récolte de lumière artificielle très efficace avec des applications potentielles dans le photovoltaïque et la bio-imagerie.

La recherche fournit une base pour surmonter les défis difficiles impliqués dans la création de matériaux hybrides organiques-inorganiques fonctionnels hiérarchiques. La nature fournit de beaux exemples de matériaux hybrides hiérarchiquement structurés tels que les os et les dents. Ces matériaux présentent généralement un arrangement atomique précis qui leur permet d'atteindre de nombreuses propriétés exceptionnelles, comme une résistance et une ténacité accrues.

Chun-Long Chen, scientifique des matériaux du PNNL, auteur correspondant de cette étude, et ses collaborateurs ont créé un nouveau matériau qui reflète la complexité structurelle et fonctionnelle des matériaux hybrides naturels. Ce matériau combine la programmabilité d'une molécule synthétique de type protéine avec la complexité d'un nanocluster à base de silicate pour créer une nouvelle classe de nanocristaux très robustes. Ils ont ensuite programmé ce matériau hybride 2D pour créer un système de récolte de lumière artificielle très efficace.

"Le soleil est la source d'énergie la plus importante que nous ayons, " a déclaré Chen. " Nous voulions voir si nous pouvions programmer nos nanocristaux hybrides pour récolter l'énergie lumineuse, un peu comme les plantes naturelles et les bactéries photosynthétiques peuvent le faire, tout en obtenant une robustesse et une aptitude au traitement élevées observées dans les systèmes synthétiques. " Les résultats de cette étude ont été publiés 14 mai 2021, dans Avancées scientifiques .

Gros rêves, petits cristaux

Bien que ces types de matériaux structurés hiérarchiquement soient exceptionnellement difficiles à créer, L'équipe multidisciplinaire de scientifiques de Chen a combiné ses connaissances spécialisées pour synthétiser une molécule définie par séquence capable de former un tel arrangement. Les chercheurs ont créé une structure semblable à une protéine modifiée, appelé peptoïde, et attaché une structure précise en forme de cage à base de silicate (en abrégé POSS) à une extrémité de celle-ci. Ils ont alors découvert que, dans les bonnes conditions, ils pourraient inciter ces molécules à s'auto-assembler en cristaux parfaitement formés de nanofeuillets 2D. Cela a créé une autre couche de complexité semblable à une membrane cellulaire similaire à celle observée dans les structures hiérarchiques naturelles tout en conservant la stabilité élevée et les propriétés mécaniques améliorées des molécules individuelles.

"En tant que scientifique des matériaux, la nature me fournit beaucoup d'inspiration", a déclaré Chen. "Chaque fois que je veux concevoir une molécule pour faire quelque chose de spécifique, tels qu'agir comme un véhicule d'administration de médicaments, Je peux presque toujours trouver un exemple naturel pour modeler mes créations."

Concevoir des matériaux bio-inspirés

Une fois que l'équipe a réussi à créer ces nanocristaux de POSS-peptoïdes et à démontrer leurs propriétés uniques, notamment une programmabilité élevée, ils ont alors entrepris d'exploiter ces propriétés. Ils ont programmé le matériel pour inclure des groupes fonctionnels spéciaux à des emplacements spécifiques et à des distances intermoléculaires. Parce que ces nanocristaux combinent la force et la stabilité du POSS avec la variabilité du bloc de construction peptoïde, les possibilités de programmation étaient infinies.

Une fois de plus en s'inspirant de la nature, les scientifiques ont créé un système capable de capturer l'énergie lumineuse de la même manière que les pigments trouvés dans les plantes. Ils ont ajouté des paires de molécules « donneuses » spéciales et des structures en forme de cage qui pourraient lier une molécule « accepteuse » à des emplacements précis dans le nanocristal. Les molécules donneuses absorbent la lumière à une longueur d'onde spécifique et transfèrent l'énergie lumineuse aux molécules acceptrices. Les molécules acceptrices émettent alors de la lumière à une longueur d'onde différente. Ce système nouvellement créé a affiché une efficacité de transfert d'énergie de plus de 96%, ce qui en fait l'un des systèmes de collecte de lumière aqueux les plus efficaces de ce type rapportés à ce jour.

Démonstration des utilisations des POSS-peptoïdes pour la récolte de lumière

Pour présenter l'utilisation de ce système, les chercheurs ont ensuite inséré les nanocristaux dans des cellules humaines vivantes en tant que sonde biocompatible pour l'imagerie des cellules vivantes. Lorsque la lumière d'une certaine couleur brille sur les cellules et que les molécules acceptrices sont présentes, les cellules émettent une lumière d'une couleur différente. Lorsque les molécules acceptrices sont absentes, le changement de couleur n'est pas observé. Bien que l'équipe n'ait jusqu'à présent démontré l'utilité de ce système pour l'imagerie des cellules vivantes, les propriétés améliorées et la haute programmabilité de ce matériau hybride 2D les amènent à croire qu'il s'agit de l'une des nombreuses applications.

« Bien que cette recherche en soit encore à ses débuts, les caractéristiques structurelles uniques et le transfert d'énergie élevé des nanocristaux POSS-peptoïdes 2D ont le potentiel d'être appliqués à de nombreux systèmes différents, du photovoltaïque à la photocatalyse, ", a déclaré Chen. Lui et ses collègues continueront d'explorer les possibilités d'application de ce nouveau matériau hybride.