Inspiracją dla nowego rozwiązania były żywe komórki, które od milionów lat prowadzą niezwykle skomplikowane reakcje chemiczne z wyjątkową precyzją. Ich wnętrze składa się z licznych przedziałów i struktur odpowiedzialnych za różne etapy przemian, dzięki czemu procesy biologiczne przebiegają bardzo sprawnie. Zespół badawczy postanowił odtworzyć tę organizację w sztucznym materiale, projektując nanoreaktor zdolny do kierowania reakcjami chemicznymi w podobny sposób.
Czytaj też: Miała być martwa, a okazała się tętnić życiem. Niezwykła rafa koralowa u wybrzeży Beninu
Nowa konstrukcja składa się z pustego w środku nanoreaktora otoczonego porowatą powłoką z polidopaminy. Taka budowa tworzy niewielką zamkniętą przestrzeń, w której reagujące substancje mogą się skuteczniej gromadzić. Z kolei światło można wykorzystywać znacznie efektywniej. Dodatkowo specjalny układ chemiczny znajdujący się w powłoce pełni funkcję przekaźnika protonów, przyspieszając transport protonów i elektronów podczas reakcji fotokatalitycznych. To właśnie ten mechanizm pozwala ograniczyć jedną z największych przeszkód w rozwoju sztucznej fotosyntezy: różnicę w szybkości poszczególnych etapów reakcji.
Jeśli chodzi o realne zastosowania, to taka technologia mogłaby się sprawdzić w produkcji ekologicznych paliw, magazynowaniu energii słonecznej czy wytwarzaniu cennych związków chemicznych z wykorzystaniem światła. Zdaniem chińskich naukowców ich rozwiązanie może przybliżyć rozwój technologii pozwalających zamieniać energię słoneczną w użyteczne substancje chemiczne z wydajnością zbliżoną do procesów zachodzących w naturze.
W przeprowadzonych eksperymentach nowy nanoreaktor wykazał znacznie wyższą wydajność produkcji nadtlenku wodoru z wykorzystaniem światła widzialnego niż wcześniejsze rozwiązania. Nadtlenek wodoru jest ważnym związkiem wykorzystywanym między innymi w medycynie, przemyśle chemicznym i procesach oczyszczania środowiska. Tradycyjna produkcja tej substancji wymaga jednak dużych ilości energii i skomplikowanych instalacji przemysłowych, dlatego możliwość jej wytwarzania przy użyciu światła słonecznego powinna przynieść istotne korzyści ekonomiczne i ekologiczne.
Czytaj też: Mech zachowuje się jak ludzki mózg. Naukowiec zarejestrował dziwne sygnały elektryczne
Badacze wykorzystali zaawansowane techniki spektroskopowe oraz symulacje komputerowe, aby dokładnie prześledzić przebieg reakcji zachodzących wewnątrz nanoreaktora. Analizy potwierdziły, że odpowiednio zaprojektowana struktura z jednej strony ułatwia przepływ elektronów i protonów, a z drugiej poprawia transport reagentów i skuteczniej zatrzymuje światło wewnątrz materiału. Wszystkie te czynniki wspólnie zwiększają efektywność całego procesu. Trudno przejść obojętnie obok faktu, iż istnieje możliwość zamknięcia nanoreaktorów w biodegradowalnym hydrożelu wykonanym z alginianu sodu. Dzięki temu powstały trwałe i łatwe do odzyskania katalizatory, które mogą wielokrotnie pracować pod naturalnym światłem słonecznym bez wyraźnej utraty wydajności. To ważny krok w kierunku praktycznego wykorzystania tej technologii poza laboratorium.