Нанореактор
| Часть серии статей о |
| Нанотехнологии |
|---|
| Влияние и применение |
| Наноматериалы |
| Молекулярная самосборка |
| Наноэлектроника |
| Нанометрология |
| Молекулярная нанотехнология |
Нанореакторы представляют собой разновидность химических реакторов , которые особенно относятся к дисциплинам нанотехнологии и нанобиотехнологии . Эти специальные реакторы имеют решающее значение для поддержания работающего нанолитейного завода ; По сути, это литейный завод , производящий продукцию в нанотехнологическом масштабе.
Краткое содержание
[ редактировать ]Общая информация
[ редактировать ]Термин «нанореактор» относится к изолированной системе нанометрового масштаба, которая используется для проведения химических реакций в среде, резко отличающейся от реакции в объемном растворе. Синтез и анализ этих нанореакторов — очень междисциплинарный предмет, охватывающий от химии и физики до биологии и материаловедения. Эти системы могут быть синтетическими, такими как нанопоры и полые наночастицы, или биологическими системами, включающими белковые поры и каналы. [1] Как правило, эффект ограничения, обеспечиваемый этими нанореакторами, приводит к созданию новой химии. Этой области начали уделять значительное внимание только в последние два десятилетия, и постоянно публикуются новые работы, поскольку нанореакторы становятся все более совершенными и начинают показывать многообещающие возможности для промышленного применения.
Исследователям из Нидерландов удалось создать нанореакторы, которые могут выполнять многоэтапные реакции в одном реакторе, что является следующим шагом на пути к устройствам, подобным искусственным клеткам , в дополнение к приложениям, связанным с скринингом и диагностикой заболеваний или заболеваний. [2] Биохимический нанореактор создается путем простого раскрытия биологического вируса научными методами, устранения его вредного содержимого и повторной сборки его белковой оболочки вокруг единственной молекулы фермента. [3] Кинетический изотопный эффект улавливается в одной молекуле внутри мембранного нанореактора. [4] Это явление было обнаружено исследователями из Великобритании в ходе экспериментов, проведенных в сентябре 2010 года. [4] Кинетический изотопный эффект, при котором на скорость реакции влияет присутствие изотопного атома в растворе, является важным принципом для выяснения механизмов реакции. [4] Это недавнее открытие может открыть новые методы изучения химических реакций. [4] Они могут даже помочь в процессе создания новых (и даже более мощных) нанореакторов. [4]
Используя нанокристаллы, масштабируемый и недорогой процесс может в конечном итоге создать нанореакторы. [5] Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли имеют возможность воспользоваться большой разницей в выборе компонентов для создания этих нанокристаллов и нанореакторов. [5] Нанокристаллы проще в использовании и дешевле, чем методы, в которых используются жертвенные шаблоны в процессе создания полых частиц . [5] Частицы катализатора разделены на оболочки , чтобы предотвратить агрегацию частиц . [5] Избирательный ввод в камеру катализа снижает вероятность того, что желаемые продукты вступят в вторичные реакции . [5]
Нанореакторы также можно построить, контролируя расположение двух разных ферментов в центральном резервуаре с водой или пластиковой мембране синтетических наноскопических пузырьков. [6] Как только третий фермент добавляется в окружающий раствор, становится возможным одновременное протекание трех различных ферментативных реакций, не мешая друг другу (что приводит к реакции «в одном котле»). [6] Потенциал нанореакторов можно продемонстрировать, связав фермент пероксидазу хрена с самой мембраной; захват фермента глюкозооксидазы . [6] Окружающий раствор в конечном итоге будет содержать фермент липазу B с молекулами глюкозы , содержащими четыре ацетильных группы, в качестве субстрата. [6] Образующаяся глюкоза пересекает мембрану, окисляется, а пероксидаза хрена преобразует субстрат образца ABTS (2,2'-азинобис (3-этилбензтиазолин-6-сульфоновая кислота)) в его катион-радикал. [6]
Способности
[ редактировать ]Нанореакторы также можно использовать для эмульгирования воды, создания гидротоплива (которое по сути смешивает 15% воды с очищенным дизельным топливом), играть полезную роль в химической промышленности, позволяя нескольким потокам сырья существовать в одном нанореакторе, производить средства личной гигиены. продукты (например, лосьоны , фармацевтические кремы , шампуни , кондиционеры , гели для душа , дезодоранты ), а также совершенствовать пищевую промышленность и производство напитков (путем обработки соусов , пюре , приготовления основ для супов, эмульгирования безалкогольных напитков и заправок для салатов ). [7]
Товары личной гигиены могут быть улучшены за счет того, что компании подают несколько фаз материала, используют устройства для смешивания с водой и создают быстрорастворимые эмульсии . [7] Ожидается, что эти эмульсии будут иметь более мелкие частицы, будут иметь более длительный срок хранения и будут иметь улучшенный внешний вид при продаже в розничной торговле. [7] Потребности пищевой промышленности и производства напитков могут привести к снижению затрат на обработку, увеличению площади, повышению эффективности и снижению затрат на оборудование. [7] Это может снизить стоимость продуктов питания и напитков для потребителей; даже алкогольные напитки, которые облагаются налогом на скрытые грехи .
Гидротопливо можно использовать для перемещения тяжеловесного транспорта , поездов , землеройной техники (в том числе бульдозеров ), а также для обеспечения топливом большинства лодок и кораблей . [7] Сокращение загрязнения и повышение эффективности использования топлива могут быть достигнуты за счет гидротоплива, производимого нанореакторами. [7] Увеличение использования возобновляемых источников энергии также может помочь улучшить окружающую среду в мире благодаря нанореакторам. [7]
Приложения
[ редактировать ]Рой, Скиннер и др. изучили динамику воды в самоорганизующихся поверхностно-активных веществах Gemini в 2014 году. [8] Эта работа иллюстрирует не только полезность наноматериалов для химических реакций, но и сложность, необходимую для изучения эффектов. Команда использовала спектроскопические методы и молекулярно-динамическое моделирование, чтобы определить, что внутри нанопористых структур динамика воды в гироидной фазе на порядок медленнее, чем в объемной воде. Этот результат возникает из-за разницы в кривизне границ раздела нормального гироида. По сравнению с водой, заключенной в обратно-сферическую мицеллу сульфонатного ПАВ, вода демонстрировала более быструю динамику. Было высказано предположение, что это сложное поведение имеет значение для будущих работ в области ионного транспорта.
Углеродные нанотрубки были популярной областью исследований, и, в частности, одностенные углеродные нанотрубки обеспечивают уникальные поверхности для химии. Ли, Г. и Фу, С. и др. сообщают о значительных изменениях в спектрах комбинационного рассеяния света за счет инкапсуляции серы в эти одностенные углеродные нанотрубки. В качестве примера того, как ограничение таких небольших пространств влияет на химию, авторы предполагают, что изменения в спектрах комбинационного рассеяния света можно объяснить ван-дер-ваальсовым взаимодействием серы со стенками нанотрубок. Эти эффекты очень чувствительны к размеру удерживающей камеры, поскольку взаимодействия Ван-дер-Ваальса не были существенными для одностенных нанотрубок большего диаметра. Авторы предполагают, что удержание внутри одностенных нанотрубок позволяет молекулам S 2 полимеризоваться до линейных бирадикалов. [9]
Нанореакторы также применяются в биологических пространствах. В исследовании Тальязукки и Шлейфера они изучают связывание белков с лигандами внутри как длинных наноканалов, так и коротких нанопор. Внутри этих замкнутых пространств лиганды прикреплены к стенкам полимерными связями. Эта технология уже нашла применение в качестве датчиков, измеряющих концентрацию белков в растворе. В этом исследовании была разработана теория моделирования того, как белки связываются в этих строго ограниченных условиях, что послужило основой для разработки этих датчиков. [10]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Петроско, Сара Херст; Джонсон, Роберт; Уайт, Генри; Миркин, Чад А. (22 июня 2016 г.). «Нанореакторы: маленькие пространства, большие последствия в химии» . Журнал Американского химического общества . 138 (24): 7443–7445. дои : 10.1021/jacs.6b05393 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 27329225 .
- ^ Еще один пример имитации природы нанотехнологиями: нанореакторы для однореакторных многоступенчатых реакций в NanoWerk.
- ^ Вирусный нанореактор захватывает отдельные молекулы на RSC.org.
- ^ Jump up to: а б с д и Изотопный эффект наблюдается на одной молекуле на RSC.org
- ^ Jump up to: а б с д и Полые нанокристаллы и нанореакторы в лаборатории Беркли
- ^ Jump up to: а б с д и Нанореакторы для каскадов реакций в Science Daily
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Приложения CTI Nano Reactors, заархивированные 5 ноября 2011 г. в Wayback Machine в CTI Nanotech.
- ^ Рой, Сантану; Скофф, Дэвид; Перрони, Доминик В.; Мондал, Джаганнатх; Йетирадж, Арун; Махантаппа, Махеш К.; Занни, Мартин Т.; Скиннер, Джеймс Л. (2 марта 2016 г.). «Динамика воды в гироидных фазах самоорганизующихся поверхностно-активных веществ Близнецов» . Журнал Американского химического общества . 138 (8): 2472–2475. дои : 10.1021/jacs.5b12370 . ISSN 0002-7863 . ОСТИ 1341619 . ПМИД 26875689 .
- ^ Ли, Гуанхуэй; Фу, Чэнъинь; Овьедо, М. Белен; Чен, Мингуан; Тянь, Сяоцзюань; Бекярова, Елена; Иткис Михаил Евгеньевич; Вонг, Брайан М.; Го, Цзюйчэнь; Хэддон, Роберт К. (13 января 2016 г.). «Гигантский рамановский отклик на инкапсуляцию серы в одностенные углеродные нанотрубки узкого диаметра» . Журнал Американского химического общества . 138 (1): 40–43. дои : 10.1021/jacs.5b10598 . hdl : 11336/47490 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 26675065 .
- ^ Тальязукки, Марио; Шлейфер, Игаль (07 октября 2015 г.). «Как удержание меняет равновесие связывания лиганд-рецептор? Связывание белков в нанопорах и наноканалах» . Журнал Американского химического общества . 137 (39): 12539–12551. дои : 10.1021/jacs.5b05032 . hdl : 11336/80444 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 26368839 .
