Os pesquisadores criaram um nanorreator oco CdS@polidopamina que simula duas características importantes das células vivas. Este projeto oferece uma nova maneira de reproduzir algumas das funções químicas altamente organizadas das células dentro de nanomateriais sintéticos.
As descobertas foram publicadas em Jornal da Sociedade Química Americana. A pesquisa foi liderada pelo professor LI Can do Instituto de Física Química de Dalian (DICP) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), em colaboração com a equipe do professor Jian Liu da Universidade da Mongólia Interior.
Reconstruindo a química celular em nanoescala
As células vivas realizam reações bioquímicas complexas com extraordinária eficiência e precisão. Eles conseguem isso organizando componentes individuais em espaços rigidamente controlados, onde as moléculas podem se mover, interagir e reagir sob condições cuidadosamente reguladas.
Os cientistas estão agora a tentar aplicar estes princípios aos nanomateriais projetados. Este campo, conhecido como engenharia de nanocélulas, busca criar estruturas semelhantes a células com superfícies especiais e poros ou cavidades internas. Esses sistemas sintéticos, frequentemente chamados de nanorreatores, reúnem ideias da biologia celular e da nanotecnologia.
Dois recursos inspirados em células
O novo nanorreator contém dois elementos biomiméticos principais.
O primeiro é um par redox dinâmico de catecol/O-benzoquinona localizado no invólucro de polidopamina. Em vez de funcionar como uma bomba ativa de prótons, esse par químico atua como um relé de prótons. Ao aceitar e liberar prótons repetidamente, ele desencadeia a transferência de elétrons acoplados a prótons (PCET), um processo no qual os movimentos de prótons e elétrons estão intimamente ligados.
A segunda característica é a estrutura segmentada do nanorreator. Uma cavidade oca em nanoescala é cercada por uma concha porosa, que cria um ambiente confinado onde os reagentes podem se acumular. Essa arquitetura também suporta a difusão molecular e retém os fótons que chegam, ajudando as reações acionadas pela luz a ocorrerem de maneira mais eficaz.
O peróxido de hidrogênio melhora a fotossíntese
Juntas, essas características ajudam a equilibrar as diferentes velocidades de reação de redução de oxigênio e oxidação de água, duas meias-reações que devem funcionar juntas durante a produção de peróxido de hidrogênio.
Sob iluminação com luz visível em solução aquosa, o nanorreator atingiu uma taxa de fotossíntese de H2O2 de 3,24 mmol gcat.-1 h-1. Também atingiu uma eficiência de conversão solar em químico de 1,2%.
Para determinar como o sistema funcionava, os pesquisadores combinaram espectroscopia in situ, análise fotoquímica, simulações de elementos finitos e cálculos teóricos. Esses métodos permitiram observar processos induzidos por células e elucidar o mecanismo fotocatalítico baseado em heterojunção do esquema Z responsável pela reação.
Um sistema reciclável alimentado pela luz solar
Os pesquisadores também incorporaram nanorreatores em uma matriz de hidrogel de alginato de sódio ambientalmente benigna. Isso levou a fotocatalisadores sólidos e recicláveis que poderiam sintetizar H2O2 continuamente sob a luz solar natural, mantendo um desempenho estável.
O professor Li disse: “Nosso estudo fornece uma nova estratégia para a engenharia de nanorreatores biomiméticos que replicam rapidamente as funções sofisticadas das células vivas, abrindo novas oportunidades em fotossíntese artificial, catálise energética e química sintética.”
