Inspirés par la nature, les chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), ainsi que des collaborateurs de l’Université de l’État de Washington, ont créé un nouveau matériau capable de capter l’énergie lumineuse. Ce matériau fournit un système de collecte de lumière artificielle très efficace avec des applications potentielles dans le photovoltaïque et la bioimagerie.
La recherche fournit une base pour surmonter les défis difficiles impliqués dans la création de matériaux hybrides organiques-inorganiques fonctionnels hiérarchiques. La nature fournit de beaux exemples de matériaux hybrides structurés hiérarchiquement tels que les os et les dents. Ces matériaux présentent généralement une disposition atomique précise qui leur permet d’atteindre de nombreuses propriétés exceptionnelles, telles qu’une résistance et une ténacité accrues.
Chun-Long Chen, spécialiste des matériaux de PNNL, auteur correspondant de cette étude, et ses collaborateurs ont créé un nouveau matériau qui reflète la complexité structurelle et fonctionnelle des matériaux hybrides naturels. Ce matériau combine la programmabilité d’une molécule synthétique semblable à une protéine avec la complexité d’un nanocluster à base de silicate pour créer une nouvelle classe de nanocristaux très robustes. Ils ont ensuite programmé ce matériau hybride 2D pour créer un système de collecte de lumière artificielle très efficace.
“Le soleil est la source d’énergie la plus importante dont nous disposons”, a déclaré Chen. «Nous voulions voir si nous pouvions programmer nos nanocristaux hybrides pour récolter l’énergie lumineuse – tout comme les plantes naturelles et les bactéries photosynthétiques peuvent le faire – tout en atteignant une robustesse et une processibilité élevées observées dans les systèmes synthétiques. Les résultats de cette étude ont été publiés le 14 mai 2021 dans Progrès scientifiques.
De grands rêves, de minuscules cristaux
Bien que ces types de matériaux structurés hiérarchiquement soient exceptionnellement difficiles à créer, l’équipe multidisciplinaire de scientifiques de Chen a combiné ses connaissances d’experts pour synthétiser une molécule définie par séquence capable de former un tel arrangement. Les chercheurs ont créé une structure de type protéine modifiée, appelée peptoïde, et ont attaché une structure précise en forme de cage à base de silicate (en abrégé POSS) à une extrémité de celle-ci. Ils ont ensuite découvert que, dans les bonnes conditions, ils pouvaient induire ces molécules à s’auto-assembler en cristaux parfaitement formés de nanofeuilles 2D. Cela a créé une autre couche de complexité semblable à une membrane cellulaire similaire à celle observée dans les structures hiérarchiques naturelles tout en conservant la stabilité élevée et les propriétés mécaniques améliorées des molécules individuelles.
«En tant que scientifique des matériaux, la nature me fournit beaucoup d’inspiration», a déclaré Chen. «Chaque fois que je veux concevoir une molécule pour faire quelque chose de spécifique, comme agir en tant que véhicule d’administration de médicaments, je peux presque toujours trouver un exemple naturel pour modéliser mes conceptions.
Concevoir des matériaux bio-inspirés
Une fois que l’équipe a réussi à créer ces nanocristaux POSS-peptoïdes et a démontré leurs propriétés uniques, y compris une haute programmabilité, ils ont ensuite entrepris d’exploiter ces propriétés. Ils ont programmé le matériel pour inclure des groupes fonctionnels spéciaux à des emplacements spécifiques et à des distances intermoléculaires. Parce que ces nanocristaux combinent la force et la stabilité du POSS avec la variabilité du bloc de construction peptoïde, les possibilités de programmation étaient infinies.
Une fois de plus à la recherche d’inspiration dans la nature, les scientifiques ont créé un système capable de capter l’énergie lumineuse de la même manière que les pigments trouvés dans les plantes. Ils ont ajouté des paires de molécules «donneuses» spéciales et des structures en forme de cage qui pourraient lier une molécule «accepteur» à des emplacements précis dans le nanocristal. Les molécules donneuses absorbent la lumière à une longueur d’onde spécifique et transfèrent l’énergie lumineuse aux molécules accepteurs. Les molécules accepteurs émettent alors de la lumière à une longueur d’onde différente. Ce système nouvellement créé a affiché une efficacité de transfert d’énergie de plus de 96%, ce qui en fait l’un des systèmes de collecte de lumière aqueux les plus efficaces de ce type jamais rapporté.
Démonstration des utilisations des peptoïdes POSS pour la récolte de lumière
Pour présenter l’utilisation de ce système, les chercheurs ont ensuite inséré les nanocristaux dans des cellules humaines vivantes en tant que sonde biocompatible pour l’imagerie de cellules vivantes. Lorsque la lumière d’une certaine couleur brille sur les cellules et que les molécules accepteuses sont présentes, les cellules émettent une lumière d’une couleur différente. Lorsque les molécules accepteurs sont absentes, le changement de couleur n’est pas observé. Bien que l’équipe ait seulement démontré l’utilité de ce système pour l’imagerie de cellules vivantes jusqu’à présent, les propriétés améliorées et la haute programmabilité de ce matériau hybride 2D les amènent à penser qu’il s’agit de l’une des nombreuses applications.
“Bien que cette recherche en soit encore à ses débuts, les caractéristiques structurelles uniques et le transfert d’énergie élevé des nanocristaux 2D POSS-peptoïdes ont le potentiel d’être appliqués à de nombreux systèmes différents, du photovoltaïque à la photocatalyse”, a déclaré Chen. Lui et ses collègues continueront d’explorer les voies d’application de ce nouveau matériau hybride.
Source de l’histoire:
Matériel fourni par Laboratoire national du DOE / Pacifique Nord-Ouest. Original écrit par Sarah Wong. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
.
