Les enzymes sont les meilleurs catalyseurs nanométriques de la nature, et montrent souvent ce que l'on appelle l'allostère catalytique, c'est-à-dire réactions sur un site affectant les réactions sur un autre site, généralement à quelques nanomètres, sans interaction directe entre les réactifs.

Nanoparticules de divers matériaux, comme le métal, peuvent également agir comme catalyseurs de transformations chimiques sur leurs propres surfaces, et leurs sites tensioactifs peuvent être couplés électroniquement. Peng Chen, le Peter J.W. Debye Professeur de chimie au Département de chimie et de biologie chimique, met son expérience en études enzymatiques et l'applique à son autre spécialité de recherche :la catalyse à molécule unique.

Son groupe a publié un article dans Chimie de la nature , l'aboutissement d'années d'études, qui établit un cadre conceptuel pour comprendre le fonctionnement d'une particule de nanocatalyseur. Les travaux pourraient contribuer à une meilleure conception des nanocatalyseurs synthétiques à l'avenir.

"Co-operative Communication Within and Between Single Nanocatalysts" a été publié le 26 mars. Les auteurs principaux sont d'anciens étudiants diplômés Ningmu Zou et Guanqun Chen, et ancien chercheur postdoctoral Xiaochun Zhou.

Compte tenu de son expérience en enzymes, Chen s'est demandé :les réactions sur différents sites de surface sur le même nanocatalyseur peuvent-elles communiquer entre elles, semblable aux enzymes allostériques?

"Nous avions déjà développé un moyen de cartographier les réactions catalytiques sur un seul catalyseur, d'une manière résolue spatio-temporellement [espace et temps], " dit Chen, dont le groupe a publié un article sur le sujet l'année dernière. "Pour chaque réaction se produisant sur une particule de catalyseur, nous savons où c'est arrivé et quand c'est arrivé. Puis j'ai posé la question de savoir si les réactions à différents endroits, sur le même catalyseur, peuvent se parler."

En utilisant la microscopie à fluorescence à molécule unique, Chen et le groupe ont découvert que les réactions catalytiques sur un seul catalyseur à l'échelle nanométrique - dans ce cas, nanoparticules d'or et de palladium – peuvent en effet communiquer entre elles, probablement via le mouvement de porteurs de charge positifs appelés trous. Le groupe a testé ceci sur deux types de morphologies de nanocatalyseurs, et trois types distincts de transformations catalytiques.

Ils ont également découvert que les réactions sur des nanocatalyseurs d'or séparés communiquent entre elles, sur des distances encore plus grandes, par diffusion de produits de réaction chargés négativement. Cette communication est analogue à l'effet de « débordement » en science des surfaces, dit Chen.

Ces deux observations représentent les premières observations du genre impliquant des nanocatalyseurs individuels.

"Cela fournit un nouveau type de cadre conceptuel pour comprendre comment fonctionne une particule de catalyseur à l'échelle nanométrique, " dit Chen.

Bien que l'application de ces observations au développement réel de nanocatalyseurs non biologiques soit encore loin dans le futur, cette découverte pousse la science fondamentale vers cet objectif, dit Chen. "Si l'on peut capitaliser sur cette caractéristique importante des enzymes dans un catalyseur non biologique, il y a peut-être un moyen d'améliorer la fonction du catalyseur, " il a dit.