Los sistemas biológicos vienen en todas las formas, tamaños y estructuras. Algunas de estas estructuras, como los que se encuentran en el ADN, ARN y proteínas, se forman a través de complejas interacciones moleculares que los materiales inorgánicos no pueden duplicar fácilmente.

Un equipo de investigación dirigido por Richard Robinson, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, descubrió una forma de unir y apilar grupos a nanoescala de moléculas de cobre que pueden autoensamblarse e imitar estas complejas estructuras de biosistemas en diferentes escalas de longitud. Los grupos proporcionan una plataforma para desarrollar nuevas propiedades catalíticas que se extienden más allá de lo que pueden ofrecer los materiales tradicionales.

El núcleo del nanocluster se conecta a dos tapas de cobre provistas de moléculas de unión especiales, conocidos como ligandos, que tienen un ángulo como palas de hélice.

El papel del equipo, "Complejidad jerárquica terciaria en ensamblajes de racimos quirales de metales con puentes de azufre, "publicado el 27 de julio en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

"El simple hecho de poder crear grupos inorgánicos y ubicar con precisión las posiciones atómicas es un área relativamente nueva porque los grupos inorgánicos no se ensamblan fácilmente en cristales organizados como lo hacen las moléculas orgánicas. Cuando logramos que estos se ensamblaran, lo que encontramos fue esto extraño organización jerárquica que fue completamente inesperada, "dijo Robinson, el autor principal del artículo. "Este trabajo podría proporcionar una comprensión fundamental de cómo los biosistemas, como las proteínas, se ensamblan para crear una organización estructural secundaria". y nos da la oportunidad de empezar a crear algo que pueda imitar un sistema vivo natural ".

Los nanoclusters tienen tres niveles de organización con un entrelazado, diseño quiral. Dos tapas de cobre están equipadas con moléculas de unión especiales, conocidos como ligandos, que tienen un ángulo como palas de hélice, con un juego inclinado hacia la derecha y el otro hacia la izquierda (o para zurdos y diestros), todos conectados a un núcleo. Los racimos de cobre están puenteados con azufre, y tienen un estado de oxidación mixto, lo que los hace más activos en reacciones químicas.

Los clusters son flexibles, la naturaleza adaptativa los convierte en candidatos potenciales para procesos metabólicos y enzimáticos, así como la aceleración de reacciones químicas mediante catálisis. Por ejemplo, pueden reducir el dióxido de carbono a alcoholes e hidrocarburos.

"Nos gustaría desarrollar materiales catalíticos con características que imiten las enzimas naturales, "dijo el coautor Jin Suntivich, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales. "Debido a que nuestro grupo tiene solo 13 átomos de cobre, la capacidad de sintonización es más controlable que una nanopartícula con cientos o miles de átomos. Con este mayor nivel de control, podemos pensar en construir los clusters de manera sistemática. Esto puede ayudar a revelar cómo cada átomo participa en las reacciones y cómo diseñar racionalmente uno mejor. Lo vemos como un puente hacia las enzimas, donde los átomos se ensamblan de una manera precisa para permitir una catálisis altamente selectiva ".

Colaboración radical

Mientras que otros grupos inorgánicos tienden a intercambiar electrones y cambiar sus propiedades cuando se exponen al oxígeno, los ligandos estabilizan el nanocluster durante ciclos de vida cada vez más largos, haciéndolo confiablemente estable al aire. Y debido a que los ligandos son fuertes conductores de electrones, los clústeres pueden ser útiles en electrónica orgánica, Computación cuántica e interruptores ópticos de luz.

El grupo de Robinson ahora está buscando replicar la misma jerarquía de tres niveles con otros metales.

"Los científicos de materiales y los científicos químicos han estado tratando de imitar estas complejas estructuras jerárquicas en el laboratorio, y creemos que finalmente tenemos algo que nadie más ha visto, y que podemos aprovechar para futuras investigaciones, "Dijo Robinson.