界面的科学-受生物启发的材料揭示有用的特性

时间:2020-01-28 18:34 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

界面的科学-受生物启发的材料揭示有用的特性

尖端新材料的设计正经历着蓬勃的技术进步。材料科学的创新有望对从能源到制造业的各个行业带来革命性的改善。

在一项新的研究中,亚利桑那州立大学生物设计学院的研究人员和他们的同事探索了新的材料,这些材料具有物理特性,可以根据特定的需求进行定制。这项工作的灵感来自于自然界的机制,即周围蛋白质的复杂三维结构影响金属的电化学性能。

这些进展可能会对半导体技术、可持续能源和工业生产的许多新创新的设计产生广泛影响。

物质世界

主要作者Brian Wadsworth和他的合作者描述了将金属复合物固定在透明导电的物理载体上的技术。由此产生的混合材料允许对结构进行合成控制,允许研究人员调节复合材料中电子的穿梭。

通过改变材料界面可以实现对材料性能的精确控制。根据通讯作者Gary Moore的说法,“任何时候,只要两件东西互相接触,它们就会形成一个界面。物质界面是我们工作的核心。”正是在这些区域,为了调整材料的物理特性而设计的修改发生了。

目前的研究扩展了该集团早期在半导体材料方面的努力,包括捕获和转换太阳能来生产燃料。要做到这一点,需要控制反应和提高反应速率的化学实体的能力,即催化剂。摩尔说:“我们在表面上使用分子可以有广泛的应用,包括太阳能转换、催化和绿色化学的化学制造。”

除了Wadsworth和Moore这两位应用结构发现生物设计中心的研究人员外,该团队还包括Diana Khusnutdinova和Jennifer M. Urbine(之前在生物设计研究所工作,目前分别在Intel和UC Irvine的博士项目工作)。Ahlea S. Reyes在高中时就开始在摩尔实验室工作,现在是亚利桑那州立大学的本科生,她也参与了这项新研究。

这项研究成为最新一期ACS应用材料与界面杂志的封面。

控制中心

催化剂在能源转化过程中起着至关重要的作用,在生物和技术领域都具有重要意义。目前的研究提供了有价值的信息,可以导致提高效率、可靠性和可扩展性的可持续能源解决方案。愈演愈烈的能源危机使更好地了解新材料电化学的工作走上了快车道,并为新技术开辟了深远的可能性。

工业上使用的传统催化剂通常基于二维表面。在这里,为了得到想要的产物,反应物被放在一起。催化剂加快了这种反应的速度。最基本的转变之一是产生氢,即电子和质子结合在一起形成氢分子。在这种情况下,铂通常被用作催化剂。

然而,大自然找到了一种更便宜、更有效的制氢方法。“生物学不使用二维的铂片,”摩尔解释道。相反,生命形式在特殊酶的帮助下进行这种转化。“酶通常含有反应发生的金属中心,但它们的特异性来自它们独特的三维结构。”

他们独特的方法产生了受这种三维结构启发的材料,以指导将多种底物(催化剂作用的物质)聚合在一起的反应。创造三维软物质环境,类似于在蛋白质中发现的环境,允许研究人员在空间和时间上对这些反应进行细粒度控制。

“Brian已经找到了一种方法,可以将包括聚合物在内的相对较薄的分子涂层附着在电极表面,”Moore说。“现在这些电极表面有三维的分子环境,我们可以在那里有意地沉积一个金属中心。”这些金属中心是所谓的还原-氧化或氧化还原反应的场所,在那里电子得到或失去。

克服金属疲劳

该方法有助于克服设计有效催化剂的主要限制因素之一。传统的催化剂通常使用像铂这样的稀有金属,正如它们的名字所暗示的那样,稀有而昂贵。相反,通过创造一种三维混合材料,这种材料由结构明确的同质成分组成,这些成分与异质支撑结构相结合,这种合成材料可以用更便宜、更富含地球元素的金属制成,比如钴(在目前的研究中使用)。作者强调,这些创新不仅可以降低新材料的成本,还可以提高其效率和稳定性。摩尔说:“这也是我们开发这些分子涂层的灵感来源。”

为了设计这种新材料,沃兹沃斯使用了一些在早期聚光半导体研究中发展起来的复杂的附着化学物质。本文所述的实验研究了这些化学反应对导电材料表面的影响。这使得研究人员能够直接探测嵌入金属中心的电化学性能。沃兹沃斯说:“我们得到了关于软物质或类似蛋白质的环境如何控制金属中心化学反应的机械信息。”

一旦含有金属的配合物与电极表面结合,可以对周围的分子环境进行微妙的修饰来改变氧化还原反应。摩尔说:“每一次化学转化都涉及到与化学势相关的结构和能量的变化。”“这项工作中报道的涂层使表面固定化的金属中心能够跨越相对较大的潜在应用范围,在一系列化学过程和新兴技术中发挥作用。”

催化研究

其中一些新想法最近在2020年1月2-5日于佛罗里达州萨拉索塔举行的冬季美洲光化学学会(I-APS)会议上进行了讨论。这次生动的会议是由摩尔和他的同事利哈伊大学的伊丽莎白·杨共同组织的,来自北美和南美光化学科学各个领域的顶尖科学家们聚在一起。

在会议上,Wadsworth展示了一幅题为“为光电合成反应建模的非均相、均相和生物催化之间架起桥梁的概念”的海报,并获得了由ACS应用材料与界面杂志支持的奖项。

研究人员认为,生物启发和分子为基础的策略的优势之一,是多样性的结构和功能,这种方法使。“多样性带来更多的创造力,并促进创新。这一概念不仅在我们所构建的材料中得到了应用,在指导我们的科学不断发展的研究团队中也得到了应用,”摩尔说。“目前的工作包括来自全球各地的高中生、本科生、研究生和研究生的贡献。”

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