Каталитически активный материал, вырастающий на поверхности вируса, отличается более высокой производительностью, чем катализатор, полученный обычным способом.

Бактериофаг M13 (оранжевый) способствует нуклеации оксида церия
(желтый), никеля (зеленый) и родия (пурпурный), позволяя получить
нанокристаллический катализатор, способный к разложению этанола
с выделением водорода. (Рисунок из ACS Nano, 2010, DOI: 10.1021/nn100346h)

Создание новых катализаторов может стать гораздо более простой задачей, если позволить ее решать вирусам. Ангела Бельхер (Angela Belcher) из Массачусетского Технологического Института использовала бактериофаг M13 как шаблон для роста наночастиц и нанопроводов родия и никеля на поверхности оксида церия. Полученные наночастицы катализатора могут способствовать конвертации этанола в водород, таким образом, этот катализатор может оказаться весьма полезным для модернизации существующих и создания новых водородных топливных ячеек. Катализатор, выращенный на шаблоне вируса, существенно отличается физическими свойствами от аналогичного по составу катализатора, выращенного «обычным» способом. У «выращенного на вирусе» катализатора наблюдается более высокая стабильность, он менее подвержен старению и дезактивации поверхности.

Бактериофаг M13 может быть генетически настроен для организации различного типа наночастиц за счет изменения состава и строения белковых молекул, образующих поверхность вирусной капсиды; эти белки могут играть роль центров нуклеации для самых различных частиц. В прошлом в группе Бельхера были получены вариации вируса M13, применявшиеся для получения электродов аккумуляторов, а также для получения полупроводящих и магнитных нанопроводов.

Вирус представляет собой достаточно жесткую структуру с известным соотношением размерностей, это обстоятельство позволяет использовать его для получения пористых наноструктур, управляя площадью их поверхности и распределением пор в структуре. Площадь поверхности катализатора являются критическими параметрами, определяющими эффективность и селективность катализатора.

Исследователи также обнаружили, что они могут удалить дорогой родий из материала, выращенного на биологическом шаблоне, получив катализатор, состоящий только из никеля, нанесенного на оксиде церия. Новый каталитический материал может ускорять реакцию реформинга этанола при температурах около 400°C; другие катализаторы, способствующие протеканию этой реакции, работают при более высоких температурах и отличаются большей стоимостью.

Гален Стаки (Galen Stucky) из Университета Калифорнии (Санта-Барбара) отмечает, что новый подход к синтезу катализатора представляет собой возможную альтернативу для получения каталитически активных материалов с прогнозируемой структурой поверхности.

Бельхер отмечает, что ее, как специалиста по химии материалов, удивляет биология, способная создать множество белков, способных вызывать нуклеацию почти любого материала. Она добавляет, что ее группе «удалось выжать» практически все, что они хотели, из бактериофага М13, что позволяет говорить о возможностях разнопланового применения биологических систем для решения задач химии о материалах.

Источник: ACS Nano, 2010, DOI: 10.1021/nn100346h