POSS-肽分子自组装成的菱形纳米晶体。
当地时间5月14日，《科学进展》杂志刊文称，美国太平洋西北国家实验室（PNNL）与华盛顿州立大学合作开发了一种能够捕获光能的新型材料。该研究为制造有机-无机分层功能杂化材料提供了借鉴，新材料在高效光能收集系统、光电技术和生物成像等方面具有潜在应用前景。
在自然界中存在大量“完美”的分层结构材料，例如骨骼、牙齿。精确的原子排列让它们具备了高强度、高韧性等特殊性能。受天然材料启发，PNNL材料科学家Chun-LongChen等人融合蛋白质类合成分子的可编程性和硅酸盐基纳米簇的复杂性，创造了一种新型的高稳定性纳米晶体。随后，他们对这种2D杂化材料进行编程，构建了一个高效的人工光能收集系统。“太阳是人类最重要的能源之一。我们希望通过编程，赋予杂化纳米晶体收集光能的功能，同时实现合成系统所具备的高度稳定性和可加工性。”Chen表示。
尽管分层杂化材料的开发异常困难，但Chen领导的多学科团队通过汇聚专业知识，合成了符合杂化材料需求的“序列定义分子”。他们先创造了一种改性类蛋白质结构（肽分子），将硅酸盐基笼状结构（POSS）附着在其端基上。随后，他们发现，在适当条件下，他们可以诱导这些分子自动组装成完美的二维纳米晶体。这种晶体既具有细胞膜状复杂结构，还保持了单分子的高稳定性和强化的机械性能。最后，研究人员对新材料进行了编程，使其在特定位点和分子间距接上了特殊官能团。由于纳米晶体结合了POSS的高强度和多肽构筑块的可变性，人工编程的可能性几乎是无限的。
通过从大自然中获取灵感，Chen等人创造了一个光能收集系统，它可以像植物色素一样捕获光能。他们在纳米晶体中加入了一对特殊的“供体”分子和笼状结构，以便在精确位点与“受体”分子结合。供体分子吸收特定波长的光，并将光能转移给受体分子，而受体分子则发射出不同波长的光。新系统表现出超过96%的能量传递效率，是迄今为止最高效的水相光收集系统之一。
为了探索系统的应用场景，研究人员将纳米晶体插入活细胞中，作为活细胞成像的生物相容性探针。当某种颜色的光照射在包含受体分子的细胞上时，细胞就会发出不同颜色的光。而当细胞中没有受体分子时，则无法观察到光色变化。Chen说：“虽然这项研究仍然处于早期阶段，但POSS-肽类2D纳米晶体的独特结构特征以及高能转移性能，有望在光伏、光催化等诸多领域大施拳脚。”
编译：雷鑫宇审稿：西莫责编：陈之涵
期刊来源：《科学进展》
期刊编号：-
原文链接：