Des chercheurs créent un nanoreacteur inspiré des cellules vivantes pour transformer la lumière du soleil en peroxyde d’hydrogène
Des chercheurs ont mis au point un nanoreacteur creux en CdS@polydopamine qui imite deux caractéristiques essentielles des cellules vivantes. Cette conception offre une nouvelle méthode pour reproduire certaines des fonctions chimiques hautement organisées des cellules au sein de matériaux nanoscopiques synthétiques. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society. L’étude a été dirigée par le professeur Li Can de l’Institut de physique chimique de Dalian (DICP) de l’Académie chinoise des sciences (CAS), en collaboration avec l’équipe du professeur Jian Liu de l’Université de Mongolie-Intérieure.
Les cellules vivantes réalisent des réactions biochimiques complexes avec une efficacité et une précision remarquables. Elles réussissent cela en organisant différents composants dans des espaces étroitement contrôlés, permettant aux molécules de se déplacer, d’interagir et de réagir dans des conditions soigneusement régulées. Les scientifiques tentent désormais d’appliquer ces mêmes principes aux nanomatériaux conçus. Ce domaine, connu sous le nom d’ingénierie nanocellulaire, vise à créer des structures semblables à des cellules avec des surfaces spécialisées et des pores ou cavités internes. Ces systèmes synthétiques, souvent appelés nanoreacteurs, combinent des idées de la biologie cellulaire et de la nanotechnologie.
Le nouveau nanoreacteur contient deux éléments biomimétiques principaux. Le premier est un couple redox dynamique de catéchol/o-benzoquinone situé dans la coque de polydopamine. Au lieu de fonctionner comme une pompe à protons active, ce couple chimique sert de relais de protons. En acceptant et en libérant des protons de manière répétée, il accélère le transfert d’électrons couplé aux protons (PCET). Le second élément est la structure compartimentée du nanoreacteur. Une cavité creuse à l’échelle nanométrique est entourée d’une coque poreuse, formant un environnement confiné où les réactifs peuvent s’accumuler. Cette architecture favorise également la diffusion moléculaire et piège les photons entrants, aidant ainsi les réactions induites par la lumière à se dérouler plus efficacement.
Ces caractéristiques équilibrent les différentes vitesses de réaction de la réduction de l’oxygène et de l’oxydation de l’eau, deux demi-réactions qui doivent fonctionner ensemble lors de la production de peroxyde d’hydrogène. Sous illumination lumineuse visible dans une solution aqueuse, le nanoreacteur a atteint un taux de photosynthèse de H2O2 de 3,24 mmol gcat.-1 h-1, avec une efficacité de conversion solaire en chimie de 1,2 %. Pour déterminer le fonctionnement du système, les chercheurs ont combiné spectroscopie in situ, analyse photochimique, simulations par éléments finis et calculs théoriques. Ces méthodes ont permis d’observer les processus inspirés des cellules et de clarifier le mécanisme photocatalytique basé sur l’hétérojonction en Z responsable de la réaction.
Les chercheurs ont également intégré les nanoreacteurs dans une matrice de hydrogel d’alginate de sodium, respectueuse de l’environnement. Cela a produit des photocatalyseurs solides et recyclables capables de synthétiser continuellement du H2O2 sous la lumière naturelle tout en maintenant des performances stables. « Notre étude fournit une nouvelle stratégie pour l’ingénierie de nanoreacteurs biomimétiques qui répliquent de plus en plus les fonctions sophistiquées des cellules vivantes, ouvrant de nouvelles opportunités dans la photosynthèse artificielle, la catalyse énergétique et la chimie synthétique, » a déclaré le professeur Li.
Source : Journal of the American Chemical Society
