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Farbstoffe und Viren bilden ein neues Verbundmaterial für Photooxidationsreaktionen

14.08.2019

Eduardo Anaya

Schematische Darstellung der durch Einwirkung des Farbstoffs zusammengeklebten photoaktiven stabförmigen Virusbündel (obere rechte Ecke).

Ein Forschungsteam der Aalto University hat eine neuartige Strategie entwickelt, um virusbasierte Materialien für die Katalyse zu entwickeln. Das Projekt, das im Rahmen der Aktionen von Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie konzipiert ist, zielt darauf ab, den Weg für die Anwendung optisch aktiver biohybrider Materialien - einer Kombination aus Biomolekülen und synthetischen Einheiten - in Themenbereichen von der Nanomedizin über die grüne organische Synthese bis hin zu Umweltwissenschaften zu ebnen.

Unsere erste Herausforderung war die Auswahl des richtigen Photosensibilisators", sagt Eduardo Anaya, Postdoc an der Aalto University, "Wir haben uns für Phthalocyanine entschieden, ein synthetisches Derivat von Hämatoporphyrin (dem Farbstoff, der für die Farbe des Blutes verantwortlich ist), da es hervorragende Eigenschaften als Generator für reaktive Sauerstoffspezies aufweist. Die Verwendung dieser Art von Farbstoffen in wässrigen Medien stellt jedoch mehrere Herausforderungen dar, die ihre Leistung beeinträchtigen. Daher war eine sorgfältige Planung erforderlich, um ihre Eigenschaften zu erhalten".

In Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Professor Tomas Torres von der Universidad Autonoma de Madrid wurde ein neues Phthalocyaninderivat synthetisiert, das zu einem Molekül mit elastischen Eigenschaften in verschiedenen Ionenstärke-Medien führte. Das Design gewährleistete die Photoaktivität des Farbstoffs auch in wässriger Umgebung.

Einer der Schwerpunkte unserer Forschungsgruppe liegt im Design neuer Proteinanordnungen und deren möglicher Anwendung als neue Materialien", ergänzt Professor Mauri Kostiainen, Leiter der Gruppe Biohybride Materialien. Unser Ansatz basiert auf supramolekularen Wechselwirkungen, wie z.B. elektrostatischer Bindung, so dass wir uns in diesem Projekt entschieden haben, den positiv geladenen Farbstoff mit einem negativ geladenen Tabakmosaikvirus (einem 300 nm langen stabförmigen Virus) zu kombinieren, was zu einem photoaktiven Fasermaterial führt. Dieser Ansatz führte zu hoch geordneten Fäden, die durch Röntgenstreuung und mehrere Mikroskopietechniken im Nanomikroskopiezentrum in Aalto gekennzeichnet waren", sagt Kostiainen.

Neben der strukturellen Charakterisierung weist Anaya darauf hin, dass das wichtigste Merkmal darin besteht, dass der Farbstoff trotz Immobilisierung in den Fasern aktiv bleibt. "Wir können die Reaktionsstelle in fester Unterstützung fixieren und die Lösung, die wir reagieren wollen, durch sie hindurchführen, indem wir sichtbares Licht als einzigen "Brennstoff" verwenden, den wir dafür verwenden. Dies ermöglicht es uns, eine kontinuierliche Strömungsanordnung zu schaffen, die eine Vergrößerung des Oxidationsprozesses ermöglicht", schließt er.

Das Forschungsteam entwarf ein Proof-of-Concept-Gerät, bei dem die Fasern in einer Glaskapillare immobilisiert wurden; ein Anströmung wurde in mehreren Zyklen oxidiert. Die Belastbarkeit der Fasern wurde bewertet und kam zu dem Schluss, dass sowohl ihre strukturelle Stabilität als auch ihre Photoaktivität über die Zeit konstant bleiben. Ein weiterer Vorteil ist, dass nach Abschluss des Oxidationsprozesses ein Lichtimpuls die Fasern zerlegen kann, so dass sie leicht zu entsorgen sind. Der berichtete Ansatz stellt den ersten Schritt zur Verwendung von Biohybriden in kontinuierlichen Flussreaktionen dar, die einen umweltfreundlichen Ansatz für diese Art von industriellen Prozessen darstellen.

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