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可编程2D纳米材料捕捉人工光用于生物成像

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Richland,洗涤。,5月27,2021 - 由分层结构化生物体的灵感的纳米材料可用于构建用于消极,光伏和其他应用的人工光收集系统。

由太平洋西北国家实验室(PNNL)和华盛顿州立大学的研究人员创建的,可编程纳米材料由有机和无机成分制成。杂化材料将生物体的结构和功能复杂性与蛋白质的合成分子(拟肽)的可编程性结合在一起。生物体是具有高机械强度的有机无机杂化材料。

研究人员以多面聚倍半硅氧烷(POSS)纳米团簇为侧链,在多肽的不同主链位置合成了一系列有机-无机杂化多肽。混合肽被用作序列定义的构建块来组装可编程的2D纳米晶体。研究人员说,这种混合材料代表了一类新的序列定义的二维纳米晶体。

poss -肽类分子自组装成菱形纳米晶体。插图由太平洋西北国家实验室的斯蒂芬妮·金提供。
poss -肽类分子自组装成菱形纳米晶体。由太平洋西北国家实验室的斯蒂芬妮·金提供。
在创建POSS-PETPOID NANICRYSTALS之后,研究人员编程了这些材料,以有效地提供人造光收集能力。“我们想看看我们是否可以将杂种纳米晶体编制以收获光能 - 非常像天然植物和光合细菌可以 - 同时实现合成系统中看到的高稳健性和可加工性,”陈春龙陈氏春龙表示。

科学家们编程了纳米晶体以以类似于其在植物颜料中捕获的方式的方式捕获光能。它们添加了可以在纳米晶体内精确控制的位置结合受体分子的特殊供体分子和结构对。供体分子在特定波长处吸收光并将光能转移到受体分子。然后受体分子以不同的波长发射光。该团队表示,该系统展示了96%以上的能量转移效率超过96%,这是一个最有效的水性光收集系统之一,该团队表示。

为了展示该系统如何作为生物兼容的探针用于活细胞成像,研究人员将纳米晶体插入活细胞中,并对细胞进行照射。当受体分子存在时,细胞发出的光的波长与照射在它们身上的波长不同。当受体分子不存在时,科学家们观察到细胞发出的波长没有变化。尽管研究人员仅展示了该系统在活细胞成像中的应用,但他们相信,这种2D混合材料增强的力学性能、稳定性和可编程性可以使其适用于多种应用。

材料科学家陈春龙在自然结构中寻找新材料的灵感。由Andrea Starr,太平洋西北区域实验室提供。
材料科学家陈春龙在自然结构中寻找新材料的灵感。由安德烈斯塔尔,太平洋西北国家实验室提供。
“虽然这项研究仍处于早期阶段,但poss -肽类2D纳米晶体的独特结构特征和高能转移有潜力应用于许多不同的体系,从光伏到光催化,”陈说。他和他的同事将继续探索这种新材料的不同应用途径。

该作品还可以为克服创建分层功能有机无机混合材料的挑战来提供基础。本质上,诸如骨骼和齿的分层结构化混合材料通常具有精确的原子布置,其增强它们的强度和韧性。“作为一种材料科学家,自然为我提供了很多灵感,”陈说。“每当我想设计一个分子做一些具体的东西,如充当药物送货车,我几乎总能找到一个自然的例子来模拟我的设计。”

这项研究发表在科学推进www.doi.org/10.1126/sciadv.abg1448).

Photonics.com
2021年5月
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Laurin出版,Photonics Media
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