研究人员创建了一种空心CdS@聚多巴胺纳米反应器，模仿活细胞的两个重要特征。这种设计提供了一种新的方法，可以在合成纳米材料内部再现某些高度组织化的细胞化学功能。这一研究结果发表在《美国化学会志》上，研究由中国科学院大连化学物理研究所的李灿教授领导，并与内蒙古大学刘健教授的团队合作。重建纳米尺度的细胞化学活细胞以极高的效率和精确度进行复杂的生化反应。它们通过在严格控制的空间内安排不同组分来实现这一目标，在这些空间中，分子可以在经过精心调节的条件下移动、相互作用和反应。科学家们现在正试图将这些相同的原则应用于工程化纳米材料。这一领域被称为纳米细胞工程，旨在创建具有特殊表面和内部孔或腔体的类细胞结构。这些合成系统通常被称为纳米反应器，结合了细胞生物学和纳米技术的思想。两个细胞启发的特征新的纳米反应器包含两个主要的仿生元素。第一是位于聚多巴胺壳内的动态儿茶酚/o-苯醌氧化还原对。这个化学对不作为主动质子泵运行，而是作为质子中继。通过重复接受和释放质子，它加速了质子耦合电子转移（PCET），这是一个质子和电子运动紧密相关的过程。第二个特征是纳米反应器的分隔结构。一个纳米级的空腔被多孔壳包围，形成一个反应物可以积累的受限环境。这种结构还支持分子扩散并捕获 incoming photons，帮助光驱动反应更有效地进行。改善过氧化氢光合作用这些特征有助于平衡氧还原和水氧化的不同反应速度，这两种半反应必须在过氧化氢生产过程中共同工作。在水溶液中，在可见光照射下，纳米反应器达到了3.24 mmol gcat.-1 h-1的H2O2光合作用速率。它还达到了1.2%的太阳光转化为化学能的效率。为了确定系统的工作机制，研究人员结合了原位光谱学、光化学分析、有限元模拟和理论计算。这些方法使他们能够观察到细胞启发的过程，并阐明负责反应的基于Z方案的异质结光催化机制。一个可循环利用的阳光驱动系统研究人员还将纳米反应器嵌入一种环保的海藻酸钠水凝胶基质中。这产生了可固体、可循环使用的光催化剂，能够在自然阳光下持续合成H2O2，同时保持稳定的性能。“我们的研究为工程仿生纳米反应器提供了一种新策略，这些反应器越来越能复制活细胞的复杂功能，为人工光合作用、能源催化和合成化学开辟了新的机遇，”李教授表示。