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Quase toda a energia química disponível para as formas de vida da Terra pode ser rastreada até o sol. Isso ocorre porque as supramoléculas coletoras de luz (LH) (duas ou mais moléculas mantidas juntas por forças intermoleculares) permitem que as plantas e alguns tipos de bactérias (normalmente na base da cadeia alimentar) aproveitem a luz solar para conduzir a fotossíntese. Para que essas supramoléculas sejam efetivas, elas precisam ter vários pigmentos, como a clorofila, dispostos em estruturas especiais que variam entre as espécies.
Por exemplo, as bactérias fotossintéticas verdes possuem antenas de LH nas quais as moléculas de clorofila formam estruturas espirais que, por sua vez, se agregam em grandes supramoléculas tubulares. Em contraste, bactérias fotossintéticas roxas, como Rhodobacter sphaeroides, exibem diferentes tipos de antenas de LH nas quais os pigmentos de clorofila são arranjados em arquiteturas em forma de anel. Embora os pesquisadores tenham conseguido recriar os agregados tubulares de clorofila no laboratório com uma abordagem de automontagem, suas contrapartes em forma de anel não foram reproduzidas artificialmente até agora.
Em um estudo recente publicado na Comunicações Químicas em 26 de janeiro de 2023, uma equipe de cientistas do Japão conseguiu preencher essa lacuna de conhecimento. Eles descobriram que a mistura de um derivado de clorofila com naftalenodiamida em um solvente orgânico leva à formação de dímeros que se automontam espontaneamente em estruturas em forma de anel, cada uma com várias centenas de nanômetros de diâmetro. A equipe incluiu o professor Hitoshi Tamiaki da Ritsumeikan University e o professor assistente Shogo Matsubara do Nagoya Institute of Technology.
Surpresa com a descoberta inicial, a equipe procurou entender melhor a formação das nanoestruturas em forma de anel e suas propriedades. Após uma inspeção mais detalhada usando microscopia de força atômica, eles observaram que os dímeros de clorofila, moléculas compostas por duas unidades de clorofila ligadas por naftaleno, inicialmente se automontavam em nanofibras onduladas estáveis. Ao aquecer essas nanofibras a 50°C, elas se desmontaram em precursores de nanorings menores, cujas extremidades acabaram se unindo para formar os nanorings desejados.
Curiosamente, essa transformação nanofibra-nanoring dependia de estímulos externos. Observou-se que a temperatura desempenha um papel importante, assim como a concentração do dímero. O Prof. Tamiaki explica: “Em baixas concentrações, os agregados em forma de anel foram obtidos por uma junção preferencial de ponta a ponta de uma única supramolécula de fibra. Em contraste, a ligação de ponta a ponta entre diferentes nanofibras prevaleceu em concentrações mais altas e deu ascensão para nanoestruturas de rede.”
No geral, as descobertas deste estudo revelam uma maneira direta de sintetizar a supramolécula LH que iludiu os cientistas por muito tempo. Animado com os resultados, o Dr. Matsubara comenta: “As automontagens que sintetizamos permitem a absorção eficiente da luz solar, juntamente com a migração e transferência de energia de excitação. Imitar o arranjo dos pigmentos de clorofila observados na natureza é fundamental não apenas para entender a fotossíntese natural, mas também construir artificial Sistemas LH para dispositivos como células solares.” Além disso, a mudança estrutural de nanofibra para nanoring desencadeada por estímulos externos pode ajudar a criar novos materiais inteligentes com propriedades ajustáveis.
A equipe comentou que mais investigações sobre as propriedades ópticas dos nanoanéis automontados estão em andamento. Para saber a que aplicações interessantes esse conhecimento nos levará, fique atento às próximas publicações!
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