Mehrkomponentig HOFs Verbundwerkstoffe

Hydrogen-bonded Organic Frameworks HOFs) sind innovative Materialien mit einer einzigartigen Struktur voller winziger Poren. Diese Poren machen HOFs unglaublich nützlich für die Herstellung von Biokompositen Materialien, die natürliche und synthetische Komponenten kombinieren, um bestimmten Zwecken zu dienen. Im Jahr 2019 erzielten wir einen großen Durchbruch, indem wir erfolgreich Enzyme (Proteine, die chemische Reaktionen beschleunigen) in HOFs einkapselten. Diese Innovation zeigte, dass HOFs für bestimmte Anwendungen in der Biokatalyse und Biosensorik eine bessere Leistung erbringen können als ähnliche Materialien. Die Herstellung von HOFs ist jedoch immer noch ein kniffliger Prozess, und Wissenschaftler verstehen nicht vollständig, wie sie ihre Bildung steuern können. Um das volle Potenzial von HOFs auszuschöpfen, wollen wir sie verbessern, indem wir sie mit anderen Materialien wie anorganischen Nanopartikeln (NPs) kombinieren. Diese winzigen Partikel könnten zusätzliche Funktionen hinzufügen, die noch nicht erreicht wurden, wie magnetische Eigenschaften oder eine verbesserte chemische Reaktivität. Dieses Projekt soll die Entwicklung hochmoderner Materialien vorantreiben, indem sowohl Enzyme als auch Nanopartikel an HOFs gebunden werden. Das Ergebnis werden mehrkomponentige HOF-Biokomposite oder NP-ENZ@HOF sein. Diese neuen Materialien werden mit zwei Zielen entwickelt: (1) um besser zu verstehen, wie sie sich bilden, einschließlich der Phasen, in denen sie sich bilden (mit der Bildung beginnen), wachsen und zu einer Kristallstruktur erstarren; und (2) um Materialien mit praktischem Nutzen zu schaffen, wie etwa Sensoren, die auf Magnete reagieren, oder Systeme, die komplexe chemische Reaktionen durchführen können, indem sie Enzym- und Nanopartikelfunktionen kombinieren. Um dies zu erreichen, werden wir die Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen untersuchen, aus denen die endgültigen Materialien bestehen: HOFs, Enzyme und Nanopartikel. Wir werden fortschrittliche Werkzeuge wie Röntgenbeugung verwenden, um die Kristallstruktur zu untersuchen, Schwingungsspektroskopie, um chemische Bindungen zu verstehen, und Streutechniken, um den Wachstumsprozess in Echtzeit zu beobachten, während er stattfindet. Sobald die Materialien entwickelt sind, wird ihre Leistung in realen Anwendungen getestet. Beispielsweise wird ihre Fähigkeit untersucht, chemische Reaktionen zu katalysieren (beschleunigen). Diese Arbeit ist bahnbrechend, weil sie einen völlig neuen Bereich der Wissenschaft erschließt: die Synthese innovativer mehrkomponentiger HOF-Materialien, die Enzyme und Nanopartikel kombinieren. Diese Innovationen könnten zu einer neuen Generation von Materialien führen, die in vielen Branchen wie Biotechnologie, Gesundheitswesen, Umweltwissenschaften und mehr Anwendung finden.