El diseño de nuevos materiales sofisticados está experimentando un rápido avance tecnológico. Las innovaciones en la ciencia de los materiales prometen mejoras transformadoras en industrias que van desde la energía hasta la fabricación.

En un nuevo estudio, Los investigadores del Biodesign Institute de ASU y sus colegas exploran nuevos materiales con propiedades físicas que pueden personalizarse para satisfacer necesidades particulares. La obra está inspirada en mecanismos de la naturaleza, donde la compleja estructura tridimensional de las proteínas circundantes influye en las propiedades electroquímicas de los metales en su núcleo.

Los avances podrían tener amplias implicaciones para el diseño de muchas innovaciones nuevas útiles para la tecnología de semiconductores, energía sostenible y producción industrial.

Mundo material

El autor principal Brian Wadsworth y sus colaboradores describen técnicas para inmovilizar complejos metálicos sobre soportes físicos que son transparentes y conductores. Los materiales híbridos resultantes permiten un control sintético sobre la configuración, permitiendo a los investigadores regular el transporte de electrones dentro del material compuesto.

Se puede lograr un control preciso sobre el rendimiento del material mediante la modificación de las interfaces del material. Según el autor correspondiente Gary Moore, "cada vez que dos cosas se tocan, forman una interfaz. Las interfaces de materiales son fundamentales para nuestro trabajo. "Es en estas regiones donde tienen lugar las modificaciones diseñadas para ajustar las propiedades físicas de un material.

El estudio actual amplía los esfuerzos anteriores del grupo con materiales semiconductores, que involucró la captura y conversión de energía solar para producir combustibles. Lograr esto requiere la capacidad de controlar reacciones y entidades químicas que aumentan su velocidad, conocidos como catalizadores. "Nuestro uso de moléculas en superficies puede tener una amplia gama de aplicaciones, incluida la conversión de energía solar, catálisis, y fabricación de productos químicos a través de la química verde, "Dice Moore.

Además de Wadsworth y Moore, ambos investigadores del Biodesign Center for Applied Structural Discovery, el equipo incluye a Diana Khusnutdinova y Jennifer M. Urbine, (anteriormente en el Biodesign Institute y actualmente en Intel y el programa de doctorado en UC Irvine, respectivamente). Ahlea S. Reyes, que comenzó a trabajar en el laboratorio de Moore cuando era estudiante de secundaria y actualmente es estudiante de pregrado en ASU, también contribuyó al nuevo estudio.

La investigación adorna la portada del último número de la revista. Interfaces y materiales aplicados ACS .

Centro de control

Los catalizadores juegan un papel vital en los procesos que involucran la conversión de energía y son importantes tanto en biología como en tecnología. El estudio actual proporciona información valiosa que podría conducir a avances en eficiencia, confiabilidad y escalabilidad de soluciones de energía sustentable. La creciente crisis energética acelera los esfuerzos para comprender mejor la electroquímica de nuevos materiales y abre posibilidades de gran alcance para las nuevas tecnologías.

Los catalizadores convencionales como los que se utilizan en la industria suelen estar basados ​​en superficies bidimensionales. Aquí, los reactivos se combinan para producir un producto deseado. Los catalizadores aceleran la velocidad de tales reacciones. Una de las transformaciones más básicas es la producción de hidrógeno, donde los electrones y protones se unen para formar hidrógeno molecular. En este caso, el platino se usa comúnmente como catalizador.

Naturaleza, sin embargo, ha encontrado un medio más económico y eficiente de producción de hidrógeno. "La biología no utiliza láminas bidimensionales de platino, "Moore explica. En cambio, las formas de vida llevan a cabo esta transformación con la ayuda de enzimas especializadas. "Las enzimas a menudo contienen centros metálicos donde se produce la reactividad, pero su especificidad proviene de sus estructuras tridimensionales únicas ".

Su enfoque único da como resultado materiales inspirados en estas arquitecturas tridimensionales para guiar reacciones que unen múltiples sustratos, sustancias sobre las que actúan los catalizadores. Creando ambientes tridimensionales de materia blanda, similares a los que se encuentran en las proteínas, permite a los investigadores aplicar un control detallado de estas reacciones tanto en el espacio como en el tiempo.

"Brian ha desarrollado un enfoque para unir recubrimientos moleculares relativamente delgados, incluyendo polímeros, sobre una superficie de electrodo, ", Dice Moore." Ahora estas superficies de electrodos tienen entornos moleculares tridimensionales, donde podemos depositar a propósito un centro de metal ". Estos centros de metal son los sitios de las llamadas reacciones de oxidación-reducción o redox, donde se ganan o pierden electrones.

Superar la fatiga del metal

El método ayuda a superar uno de los principales factores limitantes en el diseño de catalizadores efectivos. Los catalizadores convencionales suelen utilizar metales de tierras raras como el platino, cuales, como su nombre lo indica, son escasos y muy costosos. En lugar de, mediante la creación de un material híbrido tridimensional que consta de componentes homogéneos estructuralmente bien definidos que están unidos a una estructura de soporte heterogénea, el material sintético se puede fabricar con metales mucho más baratos y más abundantes en la tierra como el cobalto (utilizado en el estudio actual). Los autores enfatizan que estas innovaciones no solo pueden reducir el costo de los nuevos materiales, sino también mejorar su eficiencia y estabilidad. "De nuevo, esa es la parte bioinspirada de nuestra visión para desarrollar estos recubrimientos moleculares, "Dice Moore.

Para diseñar el nuevo material, Wadsworth utiliza algunas de las sofisticadas químicas de aditamentos desarrolladas en trabajos anteriores sobre semiconductores de captación de luz. Los experimentos descritos en el nuevo artículo investigan los efectos de aplicar estas químicas a las superficies de materiales conductores. Esto permite a los investigadores sondear directamente las propiedades electroquímicas de los centros metálicos incrustados. "Estamos obteniendo información mecanicista sobre cómo el material blando o los entornos similares a las proteínas controlan la química que ocurre en el centro del metal, "Dice Wadsworth.

Una vez que los complejos que contienen metales se unen a la superficie del electrodo, el entorno molecular circundante puede modificarse sutilmente para alterar las respuestas redox. "Toda transformación química implica cambios en la estructura y la energía que están asociados con un potencial químico, Moore dice:"Los recubrimientos informados en este trabajo permiten que los centros de metal inmovilizados en la superficie operen en un rango relativamente grande de potenciales para aplicaciones en una variedad de procesos químicos y tecnologías emergentes".

Catalizar la investigación

Algunas de estas nuevas ideas se discutieron recientemente en la Conferencia de Invierno de la Sociedad Fotoquímica Interamericana (I-APS), que tuvo lugar en Sarasota, Florida, 2-5 de enero 2020. La animada conferencia fue coorganizada por Moore y su colega Elizabeth Young de la Universidad de Lehigh y reunió a destacados científicos de todas las áreas de las ciencias fotoquímicas. de América del Norte y del Sur.

En la reunión, Wadsworth presentó un póster titulado "Conceptos puente entre heterogéneos, Homogéneo-, y Biocatálisis para modelar reacciones fotoelectrosintéticas "y recibió un premio respaldado por la revista Interfaces y materiales aplicados ACS , (la misma revista que presenta la historia de portada de la investigación actual).

Los investigadores creen que una de las fortalezas de las estrategias bioinspiradas y de base molecular es la diversidad en la estructura y función que permite este enfoque. "La diversidad aporta una mayor creatividad y promueve la innovación. Esta noción se aprovecha no solo en los materiales que construimos, sino también en el equipo de investigadores que guían la evolución continua de nuestra ciencia, "Dice Moore." El trabajo actual presenta contribuciones de la escuela secundaria, de licenciatura, graduado, y estudiantes de posgrado de todo el mundo ".