محققان نشان دادند که با استفاده از نوعی باکتری، می‌توان اقدام به طراحی و ساخت کاتالیزور کرد، به طوری‌که واحدهای سازنده این کاتالیزورها اتم به اتم کنار هم چیده شده باشند.
استخدام باکتری‌ها برای ساختن اتم به اتم کاتالیزورها
محققان KAUST با بهره‌گیری از توانایی غیرمعمول احیاکنندگی فلز در نوعی باکتری (Geobacter sulfurreducens)، روشی ارزان و قابل اعتماد برای سنتز کاتالیزورهای تک اتمی بسیار فعال ارائه کردند. نوآوری که می‌تواند به‌طور چشمگیری کارایی و هزینه تولید هیدروژن از آب را بهبود بخشد. این فناوری نقشی که طبیعت می‌تواند در جستجوی سیستم‌های جدید انرژی بازی کند، را برجسته می‌کند.
بسیاری از واکنش‌های شیمیایی به کاتالیزور به‌عنوان یک سطح واکنشی نیاز دارند که در آن اتم‌ها یا مولکول‌ها با مقدار مناسب انرژی کنار هم قرار می‌گیرند تا باعث ایجاد یک تغییر شیمیایی شود. به‌عنوان مثال، آب با واکنش روی یک جفت الکترود ساخته شده از اکسید پلاتین و ایریدیم، می‌تواند به اتم‌های هیدروژن و اکسیژن تقسیم شود. با این وجود، کارآیی واکنش تا حد زیادی به این موضوع بستگی دارد که چه تعداد اتم می‌توانند در فرآیند درگیر شوند.
سیرکات پدیدردی، از محققان این پروژه می‌گوید: «در یک کاتالیزور نانوذره‌ای، فقط ۲۰ درصد از اتم‌های فلز ممکن است برای تجزیه در دسترس باشد. از طرف دیگر، در کاتالیزورهای تک اتمی اجازه استفاده ۱۰۰ درصدی از اتم‌ها فراهم است؛ بنابراین، این نوع کاتالیست‌ها برای کاربردهای مختلف قابل استفاده خواهند بود؛ با این حال، روش‌های سنتز متداول این نوع کاتالیست‌ها بسیار گران بوده، نیاز به دمای بالا دارند و همچنین توزیع اتم‌ها در آن بسیار ضعیف است.»
در جستجو برای رویکرد مطمئن‌تر و مقرون به صرفه‌تر، پدیدردی، پاسکال سایکالی و همکارانشان به طبیعت روی آوردند تا از طبیعت برای حل این مشکل استفاده نمایند. باکتری بی‌هوازی G. sulfurreducens یک باکتری غیرمعمول است چرا که برای تنفس به جای اکسیژن از آهن استفاده می‌کند. در واقع این باکتری به جای اکسیژن، آهن تنفس می‌کند و توانایی قابل توجهی در هدایت الکترون از داخل به خارج سلول دارد.
پدیردی می‌گوید: «این باکتری دارای پروتئین‌های فعال ردوکسی به نام سیتوکروم‌های نوع c است که حاوی کمپلکس هِم، یک اتم آهن مرکزی است که با چهار اتم نیتروژن و یک حلقه پورفیرین محاط شده است. ما پیش‌بینی کردیم که از این سایت هِم می‌توان برای احیا شیمیایی اتم‌های منفرد فلزات فعال به جای آهن، استفاده کرد.»
پس از تأیید تشکیل تک اتم‌های آهن در سایت‌های سیتوکروم در سطح سلول‌های باکتریایی، این تیم تحقیقاتی باکتری‌ها را در یک محلول حاوی ایریدیم غوطه‌ور کرد که نتیجه مشابه و بسیار رضایت‌بخشی به‌دست آمد.
پدیردی می‌گوید: «دیدن تک اتم‌ها روی سطح باکتری‌ها یک چالش اساسی بود. با امکانات میکروسکوپ الکترونی با وضوح بالا درKAUST ، ما قادر به مشاهده اتم‌های منفرد پراکنده فلزات در سطح باکتری‌ها بودیم.»
این تیم تحقیقاتی دریافتند که می‌توانند باکتری‌ها را تا ۱ درصد از ایریدیم تک اتمی پراکنده بارگیری کنند و یک کاتالیزور قابل اطمینان‌تر ارائه کنند.
