研究人员创造了一种能够捕捉光能的新型材料

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

这项研究为克服创建分层功能性有机-无机混合材料所涉及的困难挑战提供了基础。自然界提供了分层结构混合材料的例子，如骨骼和牙齿。这些材料通常展示了精确的原子排列，使它们能够实现许多特殊的性能，如增加强度和韧性。

PNNL材料科学家，本研究的通讯作者陈春龙和他的合作者创造了一种新材料，反映了天然混合材料的结构和功能的复杂性。这种材料结合了类似蛋白质的合成分子的可编程性和基于硅酸盐的纳米团块的复杂性，创造了一类新的高度坚固的纳米晶体。然后他们对这种二维混合材料进行编程，创造出一个高效的人工光收集系统。

“太阳是我们最重要的能源，”陈春龙说。“我们想看看我们是否能对我们的混合纳米晶体进行编程，以收获光能--就像天然植物和光合菌一样--同时实现合成系统中所看到的高鲁棒性和可操作性。”这项研究的结果于5月14日发表在《科学进展》上。

大梦想，小晶体 

尽管这些类型的分层结构材料异常难以创造，但陈春龙所在的多学科科学家团队结合他们的专业知识，合成了一种能够形成这种排列的序列定义的分子。研究人员创造了一个改变的类似于蛋白质的结构，称为peptoid，并将一个精确的基于硅酸盐的笼状结构（简写为POSS）连接到它的一端。然后他们发现，在适当的条件下，他们可以诱导这些分子自我组装成二维纳米片的完美形状的晶体。这创造了另一层类似于细胞膜的复杂性，类似于在自然分层结构中看到的，同时保留了单个分子的高稳定性和增强的机械性能。

陈春龙表示：“作为一名材料科学家，大自然为我提供了大量的灵感。每当我想设计一个分子来做一些特定的事情，比如作为一个药物输送工具，我几乎总是能找到一个自然的例子来模拟我的设计。

设计生物启发材料

一旦该团队成功创建了这些POSS-eptoid纳米晶体，并证明了其独特的特性，包括高可编程性，他们就开始利用这些特性。他们对材料进行编程，使其在特定的位置和分子间的距离上包含特殊的功能团。由于这些纳米晶体结合了POSS的强度和稳定性以及Peptoid构件的可变性，编程的可能性是无穷的。

科学家们再次从大自然中寻找灵感，创造了一个能够以植物中发现的色素的方式捕捉光能的系统。他们增加了一对特殊的“供体”分子和笼状结构，可以在纳米晶体内的精确位置结合一个 "受体 "分子。供体分子吸收特定波长的光，并将光能转移到受体分子上。然后受体分子发出不同波长的光。这个新创建的系统显示了超过96%的能量转移效率，使其成为迄今为止报告的最有效的水性光收集系统之一。

展示POSS-peptoids在光收集方面的用途

为了展示该系统的用途，研究人员随后将纳米晶体插入活的人类细胞中，作为活细胞成像的生物兼容探针。当某种颜色的光照在细胞上，并且接受体分子存在时，细胞会发出不同颜色的光。当受体分子不存在时，就观察不到颜色的变化。尽管到目前为止，该团队只证明了这一系统对活体细胞成像的有用性，但这种二维混合材料的增强特性和高度可编程性使他们相信这是许多应用中的一个。

陈春龙表示：“尽管这项研究仍处于早期阶段，但POSS-eptoid二维纳米晶体的独特结构特征和高能量转移有可能被应用于许多不同的系统，从光伏到光催化。他和他的同事将继续探索这种新混合材料的应用途径。”

相关链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/20/eabg1448