Bilim insanları, canlı hücrelerin iki önemli özelliğini taklit eden içi boş bir nanoreaktör geliştirdi. CdS@polydopamin yapısındaki bu yeni tasarım, hücrelerin son derece organize kimyasal işlevlerini sentetik nanomalzemeler içinde yeniden üretmenin yeni bir yolunu sunuyor.
Bulgular, Journal of the American Chemical Society dergisinde yayımlandı. Araştırmaya, Çin Bilimler Akademisi'ne bağlı Dalian Kimyasal Fizik Enstitüsü'nden Prof. Li Can ve İç Moğolistan Üniversitesi'nden Prof. Jian Liu'nun ekibi liderlik etti.
Nanoboyutta Hücresel Kimyayı Yeniden Yaratmak
Canlı hücreler, karmaşık biyokimyasal reaksiyonları olağanüstü bir verimlilik ve hassasiyetle gerçekleştirir. Bunu, farklı bileşenleri sıkı bir şekilde kontrol edilen alanlar içinde düzenleyerek başarırlar; moleküller bu alanlarda hareket edebilir, etkileşime girebilir ve dikkatle düzenlenmiş koşullar altında reaksiyona girebilir.
Bilim insanları şimdi aynı prensipleri mühendislik ürünü nanomalzemelere uygulamaya çalışıyor. Nanohücre mühendisliği olarak bilinen bu alan, özelleşmiş yüzeylere ve iç gözeneklere veya boşluklara sahip, hücre benzeri yapılar oluşturmayı hedefliyor. Genellikle nanoreaktör olarak adlandırılan bu sentetik sistemler, hücre biyolojisi ve nanoteknolojiden gelen fikirleri bir araya getiriyor.
Hücrelerden İlham Alan İki Özellik
Yeni nanoreaktör iki ana biyomimetik unsur içeriyor.
Birincisi, polidopamin kabuğunda bulunan dinamik bir katekol/o-benzokinon redoks çifti. Bu kimyasal çift, aktif bir proton pompası olarak çalışmak yerine bir proton rölesi görevi görüyor. Protonları tekrar tekrar alıp vererek, proton ve elektron hareketinin yakından bağlantılı olduğu bir süreç olan proton-eşleşmiş elektron transferini hızlandırıyor.
İkinci özellik ise nanoreaktörün bölmelere ayrılmış yapısı. Gözenekli bir kabukla çevrili nanoboyutlu içi boş bir boşluk, reaktanların birikebileceği sınırlı bir ortam oluşturuyor. Bu mimari aynı zamanda moleküler difüzyonu destekliyor ve gelen fotonları hapsederek ışıkla yürütülen reaksiyonların daha etkili bir şekilde ilerlemesine yardımcı oluyor.
Hidrojen Peroksit Fotosentezini İyileştirmek
Birlikte ele alındığında, bu özellikler hidrojen peroksit üretimi sırasında birlikte çalışması gereken iki yarı reaksiyon olan oksijen indirgemesi ve su oksidasyonunun farklı reaksiyon hızlarını dengelemeye yardımcı oluyor.
Sulu bir çözelti içinde görünür ışık altında nanoreaktör, saatte gram başına 3.24 mmol H2O2 fotosentez hızına ulaştı. Ayrıca %1.2'lik bir güneşten kimyasala dönüşüm verimliliği elde etti.
Sistemin nasıl çalıştığını belirlemek için araştırmacılar, in situ spektroskopi, fotokimyasal analiz, sonlu eleman simülasyonları ve teorik hesaplamaları bir araya getirdi. Bu yöntemler, hücrelerden ilham alan süreçleri gözlemlemelerine ve reaksiyondan sorumlu Z-scheme heteroeklem tabanlı fotokatalitik mekanizmayı aydınlatmalarına olanak sağladı.
Güneş Işığıyla Çalışan Geri Dönüştürülebilir Bir Sistem
Araştırmacılar ayrıca nanoreaktörleri çevre dostu bir sodyum aljinat hidrojel matrisine yerleştirdi. Bu, doğal güneş ışığı altında sürekli olarak H2O2 sentezleyebilen ve kararlı performansını koruyan katı, geri dönüştürülebilir fotokatalizörler üretti.
Prof. Li, "Çalışmamız, canlı hücrelerin karmaşık işlevlerini giderek daha fazla taklit eden biyomimetik nanoreaktörler tasarlamak için yeni bir strateji sunuyor ve yapay fotosentez, enerji katalizi ve sentetik kimyada yeni fırsatlar yaratıyor" dedi.
