生物系统有各种形状、大小和结构。其中一些结构，例如在 DNA、RNA 和蛋白质中发现的结构，是通过复杂的分子相互作用形成的，无机材料不易复制。

由材料科学与工程副教授 Richard Robinson 领导的一个研究小组发现了一种结合和堆叠纳米级铜分子簇的方法，这些簇可以自组装并模拟不同长度尺度的复杂生物系统结构。这些簇为开发超出传统材料所能提供的新催化性能提供了一个平台。

纳米团簇核心连接到两个装有特殊结合分子(称为配体)的铜帽，这些分子的角度像螺旋桨叶片一样。

该团队的论文“硫桥金属手性簇组装中的三级层次复杂性”于 7 月 27 日发表在美国化学学会杂志上。

“仅仅能够创建无机团簇并精确定位原子位置是一个相对较新的领域，因为无机团簇不像有机分子那样容易组装成有组织的晶体。当我们确实将它们组装起来时，我们发现这很奇怪，这是完全出乎意料的等级组织，”该论文的资深作者罗宾逊说。“这项工作可以提供对蛋白质等生物系统如何自我组装以创建二级结构组织的基本理解，它让我们有机会开始创造可以模仿自然生命系统的东西。”

纳米团簇具有三个层次的组织结构，具有互锁的手性设计。两个铜帽装有特殊的结合分子，称为配体，它们像螺旋桨叶片一样倾斜，一组顺时针倾斜，另一组逆时针倾斜(或左旋和右旋)，都连接到一个核心。铜簇与硫桥连，并具有混合氧化态，这使它们在化学反应中更加活跃。

簇的灵活、适应性使它们成为代谢和酶促过程以及通过催化加速化学反应的潜在候选者。例如，它们可能能够将二氧化碳还原为醇类和碳氢化合物。

“我们希望开发具有模仿天然酶特性的催化材料，”共同作者、材料科学与工程副教授 Jin Suntivich 说。“因为我们的簇只有 13 个铜原子，所以可调性比具有数百或数千个原子的纳米粒子更可控。有了这种更高级别的控制，我们可以考虑以系统的方式构建簇。这有助于揭示每个原子参与反应以及如何合理设计更好的反应。我们将其视为通向酶的桥梁，其中原子以精确的方式组装以实现高选择性催化。”

激进合作

虽然其他无机团簇在暴露于氧气时倾向于交换电子并改变其性质，但配体在越来越长的生命周期内稳定纳米团簇，使其在空气中稳定可靠。由于配体是电子的强导体，因此这些簇可能在有机电子学、量子计算和光-光开关中有用。

Robinson 的团队现在正在研究用其他金属复制相同的三级层次结构。

“材料科学家和化学科学家一直试图在实验室中模仿这些复杂的层次结构，我们认为我们终于有了其他人从未见过的东西，我们可以为未来的研究建立起来，”罗宾逊说。