Doğadan esinlenen Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı’ndaki (PNNL) araştırmacılar, Washington Eyalet Üniversitesi’nden ortak çalışanlarla birlikte, ışık enerjisini yakalayabilen yeni bir malzeme üretti. Bu malzeme, verimli bir yapay ışık toplama sistemi sağlayarak güneş pili ve biyo-görüntülemede potansiyel uygulamalara sahip olabilir.
Araştırma, hiyerarşik işlevsel organik-inorganik hibrit malzemelerin üretiminde yer alan zorlukların üstesinden gelmek için bir temel sağlar. Doğa, kemikler ve dişler gibi hiyerarşik olarak yapılandırılmış hibrit malzemelerin güzel örneklerini sunar. Bu malzemeler tipik olarak, artırılmış güç ve dayanıklılık gibi birçok istisnai özelliği elde etmelerini sağlayan hassas bir atomik düzenleme sergiler.
Bu çalışmanın yazarı PNNL malzeme bilimcisi Chun-Long Chen ve ortakları, doğal hibrit malzemelerin yapısal ve işlevsel karmaşıklığını yansıtan yeni bir malzeme üretti. Bu malzeme, protein benzeri sentetik bir molekülün programlanabilirliğini silikat bazlı bir nanokümenin karmaşıklığıyla birleştirerek yeni son derece sağlam bir nanokristaller sınıfı oluşturur. Daha sonra bu 2D hibrit malzemesini oldukça verimli bir yapay ışık hasat sistemi oluşturmak üzere programladılar.
Chen, “Güneş, sahip olduğumuz en önemli enerji kaynağıdır” dedi. “Hibrit nanokristallerimizi – doğal bitki ve fotosentetik bakterilerin yapabildiği gibi – ışık enerjisini toplamak için programlayıp programlayamayacağımızı görmek istedik.
Büyük rüyalar, minik kristaller
Bu tür hiyerarşik olarak yapılandırılmış malzemelerin oluşturulması son derece zor olsa da, Chen’in multidisipliner bilim adamları ekibi, bu tür bir düzenleme oluşturabilen dizi tanımlı bir molekülü sentezlemek için uzman bilgilerini birleştirdi. Araştırmacılar, peptoid adı verilen değiştirilmiş protein benzeri bir yapı yarattılar ve bunun bir ucuna hassas bir silikat bazlı kafes benzeri yapı (POSS) bağladılar. Daha sonra, doğru koşullar altında, bu molekülleri 2D nano yaprakların mükemmel şekilli kristalleri haline getirmeye teşvik edebileceklerini keşfettiler. Bu, tek tek moleküllerin yüksek stabilitesini ve gelişmiş mekanik özelliklerini korurken, doğal hiyerarşik yapılarda görülen benzer başka bir hücre zarı benzeri karmaşıklık katmanı yarattı.
Chen, “Bir malzeme bilimcisi olarak doğa bana çok fazla ilham veriyor” dedi. “Ne zaman bir molekül tasarlamak istersem, örneğin bir ilaç dağıtım aracı olarak hareket etmek gibi spesifik bir şey yapmak istesem, tasarımlarımı sonradan modellemek için neredeyse her zaman doğal bir örnek bulabilirim.”
Biyo-esinlenmiş malzemeler tasarlamak
Ekip, bu POSS-peptoid nanokristalleri başarıyla oluşturduktan ve yüksek programlanabilirlik dahil olmak üzere benzersiz özelliklerini gösterdikten sonra, bu özelliklerden yararlanmak için yola çıktılar. Malzemeyi, belirli konumlarda ve moleküller arası mesafelerde özel işlevsel grupları içerecek şekilde programladılar. Bu nanokristaller, POSS’un gücünü ve kararlılığını peptoid yapı bloğunun değişkenliği ile birleştirdiğinden, programlama olanakları sonsuzdu.
Bir kez daha ilham almak için doğaya bakan bilim adamları, bitkilerde bulunan pigmentlerin yaptığı gibi ışık enerjisini yakalayabilecek bir sistem yarattılar. Nanokristal içindeki kesin konumlarda bir “alıcı” molekülü bağlayabilen özel “verici” molekül çiftleri ve kafes benzeri yapılar eklediler. Verici moleküller ışığı belirli bir dalga boyunda emer ve ışık enerjisini alıcı moleküllere aktarır. Alıcı moleküller daha sonra farklı bir dalga boyunda ışık yayarlar. Bu yeni oluşturulan sistem, %96‘nın üzerinde bir enerji aktarım verimliliği sergiledi ve bu da onu şimdiye kadar bildirilen türünün en verimli sulu ışık toplama sistemlerinden biri haline getirdi.
Hafif hasat için POSS-peptoidlerin kullanımının gösterilmesi
Bu sistemin kullanımını göstermek için araştırmacılar, nanokristalleri canlı insan hücrelerinde canlı hücre görüntüleme için biyo-uyumlu bir sonda olarak yerleştirdiler. Hücrelerde belirli bir rengin ışığı parladığında ve alıcı moleküller bulunduğunda, hücreler farklı renkte bir ışık yaydıklarını gördüler. Alıcı moleküller olmadığında renk değişimi gözlenmediğini de gördüler. Ekip, şimdiye kadar bu sistemin canlı hücre görüntüleme için yalnızca yararlı olduğunu göstermiş olsa da, bu 2D hibrit malzemenin gelişmiş özellikleri ve yüksek programlanabilirliği birçok uygulamaya ilham kaynağı olacaktır.
Chen, “Bu araştırma hala erken aşamalarında olmasına rağmen, POSS-peptoid 2D nanokristallerin benzersiz yapısal özellikleri ve yüksek enerji aktarımı, güneş pillerinden fotokatalize kadar birçok farklı sisteme uygulanma potansiyeline sahip” dedi. Araştırmacılar bu tür yeni hibrit malzemelerin keşfine yönelik yolları keşfetmeye devam edecekler.
Kaynak
https://phys.org/news/2021-05-class-bio-inspired-light-capturing-nanomaterials.html