Nanorreator imita células vivas para otimizar fotossíntese artificial
[Imagem: JACS]
Nanorreatores
Um biorreator em escala nanométrica, que integra duas características biomiméticas, oferece uma nova estratégia para imitar as complexas funções das células vivas no promissor campo da fotossíntese artificial.
As células vivas empregam arquiteturas confinadas em múltiplos níveis e componentes organizados espacialmente para gerar reações bioquímicas com eficiência e especificidade notáveis. Imitar esses princípios celulares usando nanomateriais sintéticos pode viabilizar uma poderosa convergência entre a biologia celular e a nanotecnologia.
A ideia consiste em criar entidades semelhantes a células, com funcionalidades personalizadas na superfície e poros e cavidades compartimentalizadas, no interior das quais quantidades minúsculas de compostos podem reagir em condições estritamente controladas.
A vantagem é que essas unidades sintéticas, conhecidas como nanorreatores, podem ser facilmente fabricadas aos milhões, quantidade suficiente para que elas produzam volumes de compostos químicos de interesse comercial.
“Nosso estudo fornece uma nova estratégia para a engenharia de nanorreatores biomiméticos que replicam cada vez mais as funções sofisticadas das células vivas, abrindo novas oportunidades em fotossíntese artificial, catálise energética e química sintética”, disse Haitao Li, do Instituto de Físico-Química Dalian, na China.
[Imagem: Haitao Li et al. – 10.1021/jacs.6c08170]
Biomimetismo
O novo nanorreator incorpora duas características biomiméticas essenciais. Primeiro, um par redox dinâmico funciona como um relé de prótons, em vez de uma bomba ativa, acelerando a transferência de elétrons acoplada a prótons por meio da doação e aceitação reversíveis de prótons.
Segundo, a arquitetura compartimentalizada, composta por uma cavidade em nanoescala envolta por uma camada porosa, cria um microambiente confinado que facilita a difusão de massa, o enriquecimento de reagentes e o aprisionamento de fótons.
Juntas, essas duas características ajudam a quebrar a molécula da água, superando a discrepância na cinética entre as semirreações de redução de oxigênio e oxidação da água. A taxa de fotossíntese de H2O2 chega a 3,24 mmol gcat.-1 h-1 em solução aquosa sob iluminação de luz visível, com uma eficiência de conversão solar-química de 1,2%.
Além disso, o encapsulamento em uma matriz de hidrogel de alginato de sódio ecologicamente correta resulta em fotocatalisadores monolíticos e recicláveis capazes de sintetizar H2O2 de forma estável sob luz solar natural, disse a equipe.