生物系統(tǒng)有各種形狀、大小和結(jié)構(gòu)。其中一些結(jié)構(gòu)，例如在 DNA、RNA 和蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，是通過復雜的分子相互作用形成的，無機材料不易復制。

由材料科學與工程副教授 Richard Robinson 領(lǐng)導的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了一種結(jié)合和堆疊納米級銅分子簇的方法，這些簇可以自組裝并模擬不同長度尺度的復雜生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這些簇為開發(fā)超出傳統(tǒng)材料所能提供的新催化性能提供了一個平臺。

納米團簇核心連接到兩個裝有特殊結(jié)合分子(稱為配體)的銅帽，這些分子的角度像螺旋槳葉片一樣。

該團隊的論文“硫橋金屬手性簇組裝中的三級層次復雜性”于 7 月 27 日發(fā)表在美國化學學會雜志上。

“僅僅能夠創(chuàng)建無機團簇并精確定位原子位置是一個相對較新的領(lǐng)域，因為無機團簇不像有機分子那樣容易組裝成有組織的晶體。當我們確實將它們組裝起來時，我們發(fā)現(xiàn)這很奇怪，這是完全出乎意料的等級組織，”該論文的資深作者羅賓遜說。“這項工作可以提供對蛋白質(zhì)等生物系統(tǒng)如何自我組裝以創(chuàng)建二級結(jié)構(gòu)組織的基本理解，它讓我們有機會開始創(chuàng)造可以模仿自然生命系統(tǒng)的東西。”

納米團簇具有三個層次的組織結(jié)構(gòu)，具有互鎖的手性設(shè)計。兩個銅帽裝有特殊的結(jié)合分子，稱為配體，它們像螺旋槳葉片一樣傾斜，一組順時針傾斜，另一組逆時針傾斜(或左旋和右旋)，都連接到一個核心。銅簇與硫橋連，并具有混合氧化態(tài)，這使它們在化學反應中更加活躍。

簇的靈活、適應性使它們成為代謝和酶促過程以及通過催化加速化學反應的潛在候選者。例如，它們可能能夠?qū)⒍趸歼€原為醇類和碳氫化合物。

“我們希望開發(fā)具有模仿天然酶特性的催化材料，”共同作者、材料科學與工程副教授 Jin Suntivich 說。“因為我們的簇只有 13 個銅原子，所以可調(diào)性比具有數(shù)百或數(shù)千個原子的納米粒子更可控。有了這種更高級別的控制，我們可以考慮以系統(tǒng)的方式構(gòu)建簇。這有助于揭示每個原子參與反應以及如何合理設(shè)計更好的反應。我們將其視為通向酶的橋梁，其中原子以精確的方式組裝以實現(xiàn)高選擇性催化。”

激進合作

雖然其他無機團簇在暴露于氧氣時傾向于交換電子并改變其性質(zhì)，但配體在越來越長的生命周期內(nèi)穩(wěn)定納米團簇，使其在空氣中穩(wěn)定可靠。由于配體是電子的強導體，因此這些簇可能在有機電子學、量子計算和光-光開關(guān)中有用。

Robinson 的團隊現(xiàn)在正在研究用其他金屬復制相同的三級層次結(jié)構(gòu)。

“材料科學家和化學科學家一直試圖在實驗室中模仿這些復雜的層次結(jié)構(gòu)，我們認為我們終于有了其他人從未見過的東西，我們可以為未來的研究建立起來，”羅賓遜說。

標簽： 納米團簇