poss -肽类分子自组装成菱形纳米晶体。图片来源:太平洋西北国家实验室，斯蒂芬妮·金

 

太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员受到自然的启发，与华盛顿州立大学的合作者一起，创造了一种能够捕获光能的新型材料。这种材料提供了一种高效的人工光收集系统，在光电和生物成像方面具有潜在的应用前景。

 

该研究为解决有机-无机分层功能杂化材料的创建所涉及的困难挑战提供了基础。自然界提供了诸如骨骼和牙齿等分层结构的混合材料的美丽例子。这些材料典型地展示了精确的原子排列，这使它们能够获得许多特殊的性能，如增加强度和韧性。

 

PNNL材料科学家陈春龙，本研究通讯作者，和他的合作者创造了一种反映天然杂化材料结构和功能复杂性的新材料。这种材料结合了蛋白质类合成分子的可编程性和硅酸盐基纳米簇的复杂性，创造了一种新型的高度健壮的纳米晶体。然后，他们对这种2D混合材料进行编程，以创建一个高效的人工光收集系统。关于天赋平台

 

 

“太阳是我们最重要的能源，”陈说。“我们想看看是否可以通过编程，让我们的混合纳米晶体收集光能——就像天然植物和光合细菌那样——同时实现合成系统中所看到的高健壮性和可加工性。”这项研究的结果发表在2021年5月14日的《科学进展》杂志上。

 

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材料科学家陈春龙在自然结构中寻找新材料的灵感。图片来源:安德里亚·斯塔尔太平洋西北国家实验室

 

远大的梦想，微小的结晶

 

尽管创造这种分层结构的材料异常困难，但陈教授的多学科科学家团队结合他们的专业知识，合成了能够形成这种排列的序列定义分子。研究人员创造了一种改变了的蛋白质样结构，称为肽类，并将一个精确的基于硅酸盐的笼状结构(简称POSS)附着在其一端。然后他们发现，在适当的条件下，他们可以诱导这些分子自组装成形状完美的二维纳米片晶体。这创造了另一层类似于自然层次结构的细胞膜状复杂结构，同时保持了单个分子的高稳定性和增强的机械性能。

 

“作为一名材料科学家，大自然给了我很多灵感。”“每当我想设计一个具有特定功能的分子，比如作为药物输送载体，我几乎总能找到一个自然的例子来模仿我的设计。”关于天赋平台

 

彼得·辛格肽

 

poss -肽类纳米晶体形成了一个高效的光收集系统，吸收激发光并发出荧光信号。该系统可用于活细胞成像。图片来源:太平洋西北国家实验室陈春龙和宋杨

 

仿生材料设计

 

一旦该团队成功地创造了这些poss -肽类纳米晶体，并展示了其独特的特性，包括高可编程性，他们就开始开发这些特性。他们对这种材料进行了编程，使其包含特定位置和分子间距离的特殊官能团。因为这些纳米晶体结合了POSS的强度和稳定性与多肽构建块的可变性，编程的可能性是无限的。

 

科学家们再次从大自然中寻找灵感，他们创造了一个系统，可以像植物中的色素一样捕获光能。他们添加了一对特殊的“供体”分子和笼子状结构，可以在纳米晶体内的精确位置与“受体”分子结合。供体分子吸收特定波长的光，并将光能转移给受体分子。然后受体分子发出不同波长的光。这个新创建的系统显示出超过96%的能量传递效率，使其成为迄今为止报道的同类中最高效的水相光收集系统之一。

 

演示了poss肽在光捕获中的应用

 

为了展示该系统的应用，研究人员将纳米晶体插入活细胞中，作为活细胞成像的生物相容性探针。