يحاكي المفاعل النانوي الخلايا الحية لتعزيز عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي

يجمع المفاعل النانوي المحاكي الحيوي بين مبادئ التصميم الخلوي لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين بكفاءة تحت الضوء المرئي.

داخل جوفاء مقياس النانو في هيكلها، أعاد الباحثون إنشاء استراتيجيتين تستخدمهما الخلايا الحية للتحكم في التفاعلات الكيميائية. يوفر المفاعل النانوي الناتج طريقة اصطناعية لإعادة إنتاج بعض التنظيم والكفاءة الموجودة في الأنظمة البيولوجية.

تم نشر العمل في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية. وقاد كان لي من معهد داليان للفيزياء الكيميائية (DICP)، وهو جزء من الأكاديمية الصينية للعلوم، البحث مع مجموعة جيان ليو في جامعة منغوليا الداخلية.

تنظم الخلايا التفاعلات البيوكيميائية من خلال هياكل محصورة ومتعددة المستويات تحتل مكوناتها مواقع مرتبة بعناية. تطبق هندسة الخلايا النانوية مبادئ مماثلة على المواد الاصطناعية من خلال إنشاء مفاعلات نانوية تشبه الخلايا ذات أسطح متخصصة ومسام أو تجاويف منفصلة. يجمع هذا النهج بين البيولوجيا الخلوية وتكنولوجيا النانو معًا للتحكم في التفاعلات داخل مساحات صغيرة للغاية.

تعمل ميزتان مستوحاة من الخلية معًا

يجمع المفاعل النانوي المجوف بين وظيفتين للمحاكاة الحيوية. الأول يأتي من زوج الأكسدة الديناميكي للكاتيكول / o-benzoquinone داخل غلافه متعدد الدوبامين. بدلًا من ضخ البروتونات بشكل فعال، يعمل هذا الزوج كمرحل يقبلها ويتبرع بها بشكل متكرر، مما يؤدي إلى تسريع نقل الإلكترون المقترن بالبروتونات (PCET).

الميزة الثانية هي البنية المجزأة للمفاعل النانوي. يحيط الغلاف الخارجي المسامي بتجويف نانوي، مما يخلق بيئة محصورة تدعم تخصيب المواد المتفاعلة، والانتشار الشامل، الفوتون محاصرة.

ومن خلال العمل معًا، تساعد هذه الخصائص على تحقيق التوازن بين سرعات التفاعل المختلفة لتقليل الأكسجين وأكسدة الماء. وتحت إضاءة الضوء المرئي في محلول مائي، حقق النظام H2O2 التمثيل الضوئي معدل 3.24 مليمول gcat.-1 h-1 وكفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى كيميائية تبلغ 1.2%.

تصميم هيدروجيل يتيح إعادة استخدام ضوء الشمس

قام الباحثون بدمج التحليل الطيفي في الموقع، والقياسات الكيميائية الضوئية، ومحاكاة العناصر المحدودة، والحسابات النظرية لفحص كيفية عمل المفاعل النانوي. كشف تحليلهم عن عملية المحاكاة الحيوية وأوضح آلية التحفيز الضوئي بناءً على مخطط Z غير المتجانس.

كما قاموا أيضًا بتضمين المادة داخل هيدروجيل ألجينات الصوديوم الحميدة بيئيًا. أنتج هذا محفزات ضوئية صلبة وقابلة لإعادة التدوير قادرة على الحفاظ على تخليق H2O2 المستقر تحت ضوء الشمس الطبيعي.

قال البروفيسور لي: “توفر دراستنا استراتيجية جديدة لهندسة المفاعلات النانوية المحاكاة الحيوية التي تكرر بشكل متزايد الوظائف المتطورة للخلايا الحية، وتفتح فرصًا جديدة في التمثيل الضوئي الاصطناعي، وتحفيز الطاقة، والكيمياء الاصطناعية”.

المرجع: “ترحيل البروتون المحاكاة بوساطة الأكسدة والاختزال في المفاعلات النانوية للتحفيز الضوئي” بقلم هايتاو لي، ومنغيوان جي، وجينلو هي، وديهوي دينغ، وجينكاي تشاو، وجيان ليو، وكان لي، 8 يوليو 2026، مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.
دوى: 10.1021/jacs.6c08170

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.