Dampak Bi Doping ke dalam Nanosheet Boron Nitrida pada Sifat Elektronik dan Optik Menggunakan Perhitungan dan Eksperimen Teoretis

Hasil dan Diskusi

Struktur dan Properti Elektronik

XRD digunakan untuk menyelidiki identifikasi fase, kristalinitas, dan bidang kristalografi kontrol dan lembar nano BN Bi-doped seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 2a. Pantulan XRD yang teridentifikasi pada 2θ nilai ~ 26.9°, 41,3°, 43,46°, dan 50,2° masing-masing diindeks sebagai bidang kristalografi (002), (100), (101), dan (102). Bidang kristalografi yang terdeteksi selaras dengan spektrum standar (referensi JCPDS #00-034-0421) [54, 55]. Ketajaman dan intensitas puncak menunjukkan pembentukan lapisan tipis BN dan penumpukan NS yang lemah dalam arah c yang disukai [46]. Pergeseran puncak mengenai sudut difraksi terdeteksi dalam refleksi XRD, yang menunjukkan penggabungan dopan. Jarak antar lapisan (d -nilai) karakteristik (d ₀₀₂ ) refleksi ditemukan ~ 0,34 nm sebagaimana dievaluasi melalui hukum Bragg \((n\lambda =2d\mathrm{sin}\theta )\) dan berkorelasi baik dengan hasil HR-TEM (lihat File tambahan 1:Gbr. S4). Nilai d bidang yang sesuai ini dicirikan oleh fitur signifikan yang berkaitan dengan sifat adsorpsi dan transportasi molekuler BN yang berfungsi untuk meningkatkan kinerja katalitiknya [56]. Profil SAED yang sesuai dari BN telanjang yang direpresentasikan pada Gambar. 2b terdiri dari cincin melingkar terang yang menunjukkan kristalinitas sampel yang tinggi. Cincin yang terdeteksi ini cocok dengan pola XRD dan data standar [26, 57, 58]. Morfologi permukaan bahan yang disintesis dieksplorasi menggunakan FESEM dan dikonfirmasi lebih lanjut melalui analisis HR-TEM. Jarak antar lapisan dievaluasi dengan perangkat lunak mikrograf digital Gatan menggunakan gambar HR-TEM, yang ditemukan konsisten dengan hasil XRD. Kemurnian produk yang disiapkan dipastikan dengan menganalisis komposisi unsur melalui spektroskopi EDS seperti yang diilustrasikan dalam File tambahan 1:Gambar. S5 dan S6.

a Pola XRD inang dan nanosheet BN yang didoping Bi dengan berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5 dan 10 berat); b Pola SAED diperoleh dari BN nanosheets; c spektrum FTIR; d Spektrum PL

FTIR digunakan untuk menyelidiki sidik jari IR dari inang dan nanosheet BN yang didoping-bi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Spektrum yang diperoleh menampilkan dua puncak karakteristik yang berasal dari BN pada 750 dan 1365 cm ⁻¹ dapat dikaitkan dengan B-N-B (getaran lentur) serta B-N (getaran peregangan). Puncak inti ini terkait dengan A_2u mode (di luar bidang) serta E_1u mode (dalam pesawat) [56, 59]. Seperti yang disebutkan A_2u mode adalah mode di luar bidang yang sesuai dengan energi 96,4 meV, sedangkan E_1u sesuai dengan mode dalam pesawat yang selanjutnya dibagi menjadi dua mode yang pertama adalah mode optik longitudinal E_1u ^KEPADA dan optik transversal kedua E_1u ^LO dengan energi masing-masing 169,4 dan 199,6 meV, karena interaksi Coulomb jarak jauh seperti yang ditunjukkan oleh Michel dan Verberck [60]. Dalam pekerjaan mereka, mereka membandingkan dua hubungan dispersi fonon yang dihitung tanpa dan dengan gaya Coulomb jarak jauh, masing-masing. Perubahan antara dua perhitungan sesuai dengan pemisahan LO-TO. Karena interaksi Coulomb yang memecah bidang simetri di BN mengarah ke membagi fonon optik longitudinal dan transversal [61]. Ilustrasi skematis dari mode ini ditunjukkan pada Gambar. 2c. Puncak tambahan terdeteksi pada 1170 cm ⁻¹ dikaitkan dengan getaran peregangan boron oxynitride (N-B-O). Pita lebar pada 3433 cm ⁻¹ sesuai dengan getaran regangan O–H [62].

Spektroskopi PL digunakan untuk mengkonfirmasi migrasi, transfer, dan rekombinasi eksiton dalam sampel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2d. Spektrum yang diekstraksi ditandai dengan panjang gelombang eksitasi yaitu λ _mantan = 390 nm dan panjang gelombang emisi yang sesuai λ _em = 420 nm. Karena bahan berskala nano relatif sensitif terhadap panjang gelombang eksitasi, spektrum emisi didasarkan pada nilai λ _mantan [59]. Spektrum PL dari nanosheet BN yang tidak didoping dan yang didoping Bi menampilkan puncak asimetris yang terletak pada ~ 420 nm dan seterusnya. Puncak asimetris yang terdeteksi ini dalam spektrum PL menunjukkan keberadaan spesies luminescent dan/atau multi-fluorofor. Studi literatur menunjukkan bahwa keberadaan spesies seperti boron-oksigen dianggap sebagai pusat pendaran baru dalam sistem BN [63]. Penemuan luminescence sekitar 460 nm mewakili permulaan transisi elektronik. Transisi elektronik ini melibatkan transisi individu/mutual yang terletak di antara status 2p pita BN [64]. Eksitasi elektron (e ⁻ ) dari kelambu ke pita konduksi berfungsi untuk meningkatkan intensitas pendaran dan energi cahaya eksitasi. Transisi ini pada 460 nm sesuai dengan puncak energi pada  ~ 2,7 eV [65]. Patut disebutkan bahwa sampel disiapkan melalui kuantitas yang sama, tingkat pertumbuhan, serta durasi, dll., tetapi sedikit perbedaan dalam intensitas semua sampel untuk spektrum PL dapat dikaitkan dengan lebih sedikit domain h-BN per unit area yang diambil. bagian dalam pendaran [66]. Rekombinasi maksimum dan pemisahan eksiton masing-masing sesuai dengan puncak intensitas tertinggi dan terendah dalam spektrum PL [67].

Sifat optik dari BN inang dan nanosheet BN yang didoping Bi dipastikan melalui spektrum serapan yang diperoleh menggunakan spektroskopi UV-Vis. Penampilan penyerapan di dekat daerah UV diamati seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3a. Penyerapan maksimum untuk nanosheet BN murni terdeteksi sekitar 200 nm yang dikenal sebagai daerah UV dekat yang sesuai dengan energi celah pita  ~ 5.85 eV. Dengan penggabungan Bi tepi serapan maksimum dipindahkan ke arah panjang gelombang yang lebih tinggi yang menunjukkan pergeseran merah dalam spektrum optik yang menyebabkan pengurangan energi celah pita. Energi celah pita diperkirakan menggunakan persamaan Tauc yang direpresentasikan dalam Persamaan. 1. Tauc plot in seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b menunjukkan energi celah pita berkurang hingga 4,65 eV. Selain itu, tidak ada penyerapan tambahan menuju tingkat energi yang lebih rendah atau lebih tinggi yang terdeteksi untuk sampel Bi-doped murni, 2,5, dan 5%, yang menunjukkan adanya cacat struktural yang padat. Sedangkan untuk sampel 7,5 dan 10% Bi-doped penyerapan sangat kecil sekitar 330 diamati yang juga diverifikasi dan dijelaskan dalam analisis spektrum serapan optik simulasi (lihat Gambar. 6) [62, 68, 69]. Menurut literatur, BN massal menunjukkan energi celah pita 5,2–5,4 eV sementara lembar nano bi/multilayer memiliki energi celah pita 5,56–5,92 eV [26]. Pengamatan ini menunjukkan bahwa nanosheet BN yang disiapkan memiliki konfigurasi bi / multilayer. Energi celah pita dari semua sampel ditampilkan pada Gambar. 3b dan diperkirakan melalui Persamaan Tauc. (1) dinyatakan sebagai berikut:

Dalam persamaan di atas, α menunjukkan koefisien penyerapan yang sama dengan \(\alpha =\mathrm{log}(T/d)\) di mana T adalah transmisi dan d adalah panjang jalan. Selanjutnya, nilai eksponen (n ) dikaitkan dengan sifat elektronik E _g dan sesuai dengan transisi langsung yang diizinkan (1/2), transisi yang diizinkan secara tidak langsung (2), transisi terlarang langsung (3/2) dan transisi terlarang tidak langsung (3). Namun, data transisi memungkinkan kecocokan linier terbaik di area tepi pita jika n = 1/2. E _g secara khas diukur dengan menilai (αhν ) ^1/n vs plot hν. Tren linier diperoleh dari Persamaan. 1 dimodelkan sebagai tangen plot dekat titik wilayah kemiringan maksimum. Di sini, hν sama dengan energi foton (E ), K adalah indeks penyerapan dan E _g adalah energi celah pita (eV) [26].

a Spektrum UV–Vis inang dan nanosheet BN yang didoping-bi; b analisis energi celah pita menggunakan plot Tauc

Temuan eksperimental ini didukung oleh perhitungan DFT berbasis prinsip pertama. Model BN monolayer undoped dan Bi-doped dibangun menggunakan metode supercell dengan kondisi batas periodik. Supercell 7 × 7 digunakan untuk monolayer BN murni dan Bi-doped untuk memastikan interaksi minimal Bi dengan gambar tetangganya. Lapisan vakum 15 Å digunakan di sepanjang arah tegak lurus terhadap bidang lapisan tunggal. Konsentrasi dopan 2,04%, 4,08%, dan 6,1% telah dimodelkan dengan mensubstitusi satu, dua, dan tiga atom Bi dalam supersel monolayer BN di situs B, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar. S6. Untuk menguji stabilitas dopan Bi dengan konsentrasi yang berbeda, kami memperkirakan energi ikat menggunakan persamaan berikut [70, 71]:

dimana, E _{sel super} , E _V, dan E _TM mengacu pada energi total BN yang didoping, bahan inang dengan kekosongan kation, dan atom logam yang diisolasi. Ditemukan bahwa nilai E _b untuk konsentrasi dopan yang berbeda sangat berubah dari 4.0 menjadi 7,71 eV.

Untuk mengeksplorasi dampak dopan Bi pada perubahan struktur elektronik dan perilaku optik, kami menghitung struktur pita elektronik dan kerapatan status (DOS) dengan memasukkan kontribusi SOC dari monolayer BN yang didoping Bi dengan konsentrasi berbeda serta BN murni monolayer untuk perbandingan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5 dan 6. Dapat dilihat bahwa BN murni memiliki energi celah pita langsung sebesar 4,69 eV pada titik K, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, yang lebih konsisten dengan nilai eksperimen terukur (5,85 eV). Selain itu, nilai energi celah pita yang dihitung adalah kesepakatan yang sangat baik dengan karya teoretis sebelumnya [72, 73]. Nilai energi celah pita ini menunjukkan bahwa BN monolayer adalah isolator. Menurut plot DOS murni dari Gambar 5a, pita valensi maxima terutama ditampilkan oleh N 2p menyatakan bahwa minimum pita konduksi sebagian besar dikendalikan oleh B 2p . yang tidak terisi negara bagian. Saat memperkenalkan bi dopan dengan tingkat doping 2,04%, dua keadaan celah lokal baru terbentuk di sekitar tingkat Fermi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, di mana pita bawah terisi sedangkan pita atas tidak terisi. Oleh karena itu, pita valensi maksimum telah digeser ke bawah di pita valensi yang mengurangi energi celah pita. Selain itu, fitur utama pita valensi maksimum dan minimum pita konduksi mirip dengan monolayer BN murni. Munculnya pita pengotor membagi energi celah pita menjadi tiga wilayah sub-celah energi yang memiliki lebar 3,39, 1,83 dan 0,643 eV. Analisis DOS parsial (lihat Gbr. 5b) mengungkapkan bahwa status celah yang terisi sebagian besar dibangun dari Bi 6 negara bagian dicampur dengan N 2p negara bagian sementara negara bagian yang kosong sebagian besar disebabkan oleh Bi 6p negara bagian dengan kontribusi kecil N 2p negara bagian. Dalam kasus doping dua atom Bi ke dalam lapisan tunggal BN, struktur pita menunjukkan pergeseran yang relatif lebih besar ke bawah pita konduksi. Terlihat bahwa jumlah pita dopan meningkat menyebabkan pengurangan lebih lanjut dalam energi celah pita. Hasilnya adalah bahwa monolayer BN yang didoping-bi menunjukkan karakter khas semikonduktor tipe-n. Dari Gambar 4c berikut bahwa empat status celah telah diperkenalkan di sekitar tingkat Fermi. Dua level dopan terendah ditempati dan terletak sekitar 0,57 dan 0,21 eV di bawah level Fermi. Status dua celah lainnya tidak terisi dan terletak pada 0,40 dan 0,80 eV di atas level Fermi. Namun, PDOS pada Gambar. 5c menunjukkan sebagian besar hibridisasi antara Bi 6s dan N 2p menyatakan dua puncak kecil dan kontribusi besar Bi 6p negara bagian dengan kontribusi kecil N 2p menyatakan untuk dua puncak tinggi. Dengan meningkatnya konsentrasi doping Bi sebesar 6,1%, diamati bahwa lebih banyak keadaan pengotor telah diperkenalkan di sekitar tingkat Fermi dengan mengurangi celah larangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4d. Pita pengotor dengan status celah energi yang lebih rendah terjadi pada 0,36 eV sedangkan pita pengotor dengan status celah energi yang lebih tinggi terletak pada 0,61 eV di atas tingkat Fermi. Dari plot DOS parsial (lihat Gbr. 5d), dapat dilihat untuk doping Bi dalam BN pada konsentrasi 6,1% bahwa fitur utama pita pengotor di bawah dan di atas level Fermi mirip dengan BN yang didoping Bi dengan x = 4,08% dengan beberapa lompatan antara pita pengotor di bawah dan di atas level Fermi.

Struktur pita elektronik yang dihitung dari a BN murni dan monolayer bi-doped dengan konsentrasi b 2,04%, c 4,08%, dan d 6.1%

Total dan proyeksi DOS yang dihitung dari a BN murni dan BN monolayer bi-doped dengan konsentrasi, b 2,04%, c 4,08%, dan d) 6,1%

Koefisien penyerapan monolayer BN murni dan Bi-doping dihitung dan diplot pada Gambar. 6. Dapat diamati pergeseran merah tepi serapan dengan peningkatan konsentrasi doping Bi. Dalam konsentrasi dopan Bi 2,04%, tepi serapan menunjukkan pergeseran merah sekitar 10 nm dibandingkan dengan BN monolayer murni. Pergeseran merah kecil ini mungkin muncul dari sedikit penurunan energi celah pita dan sesuai dengan pergeseran merah pengukuran eksperimental 20 nm untuk doping Bi ke dalam lembar nano BN. Ketika konsentrasi penggabungan Bi naik menjadi 4,08% dan 6,10%, tepi serapan utama memiliki pergeseran merah yang lebih banyak sekitar 22 nm dan 40 nm dibandingkan dengan BN monolayer yang tidak didoping. Ini juga dihasilkan dari penyempitan energi celah pita, yang mengarah pada reproduksi pengamatan eksperimental (lihat Gambar 3a). Dapat diamati bahwa puncak serapan lain yang sangat kecil sekitar 330 nm telah muncul dengan meningkatnya konsentrasi penggabungan Bi. Ini semakin menggeser tepi penyerapan monolayer BN yang didoping-bi ke nilai panjang gelombang 345 nm (atau energi 3,60 eV), yang menandakan peningkatan kemampuan katalitik.

Spektrum serapan optik yang disimulasikan dari monolayer BN murni dan bi-doped

Aktivitas Katalitik

Results of experiments to evaluate performance of catalytic activity of the synthesized material are represented by utilizing time-dependent UV–Vis spectra. It was observed that incorporation of reductant into an aqueous solution of dye was unable to degrade it as only ~ 7% of dye reduction was achieved. Addition of Bi-doped into BN nanosheets (nanocatalyst), percentage degradation is effectively enhanced. Pure BN nanosheets display 45% dye reduction in 35 min while BN doped with various concentrations (2.5, 5, 7.5, and 10 wt%) of Bi exhibit enhanced dye reduction with rapid progress.

In general, catalyst lowers the activation energy of a reaction which in turn causes to accelerate its stability and rate of reaction. MB is primarily a synthetic dye that is exploited into water during various industrial processes. MB can be reduced in the presence of reductant however the reduction process is relatively slow in the presence of only NaBH₄ . Host BN nanosheets exhibit large specific surface area causes to increase adsorption rate. Furthermore, a layer of reductant dispersed over nanocatalysts may also accelerate adsorption due to the redox reaction between catalyst and MB. Reduction reaction by a catalyst occurs by transferring an electron from donor species BH₄₋ (from NaBH₄ ) to acceptor species MB facilitated by pure and Bi-doped BN nanosheets. This resulted to reduce activation energy which serves to stabilize and accelerate rate of the reaction [26, 74]. The mechanism of catalytic activity has been represented in Additional file 1:Fig. S7b. Dye degradation of various doped concentrations (2.5, 5, 7.5 and 10 wt%) was 61, 67, 85 and 94% in 24, 17, 11 and 7 min, respectively as illustrated in Fig. 7. The comparison of present experiment with literature is represented in Table 1.

a Plots of C _t /C _o versus time for all catalysts; b comparison of degradation percentage over various concentrations, c comparison of stability for 7.5 and 10 wt% Bi-doped catalyst; d plot of C _t /C _o versus time for reusability of 10 wt% Bi-doped BN catalyst

Increase in the efficiency of catalytic activity is due to an increase in Bi concentration. As degradation percentage directly corresponds to the transfer of electrons from reducing agent towards MB which is facilitated by nanocatalyst. Bi-doped BN nanosheets cause to boost up the reaction rate by lowering its activation energy that in turn causes to facilitate transfer of electron more rapidly towards MB. Plot of C _t /C _o as a function of time represents dye reduction of all samples as illustrated in Fig. 7a where C _t represents concentration of MB at any given time while C _o corresponds to initial concentration. Figure 9b exhibits degradation percentage of catalysts which was estimated through Eq. 3.

Various factors that influence catalytic activity and affect the performance of catalysts are discussed below.

pH Value

In catalysis (catalytic activity), rate of reaction has a strong correlation with pH value. In general, an extremely low or high value of pH cannot contribute to dye degradation. Literature studies of catalytic activity using reducing agents demonstrate that rate of reaction at basic conditions is most favorable for maximum degradation. In the present study, the pH value at which the maximum degradation was attained was 8.4, which favorably correlates with literature cited. Further, materials such as BN nanosheets controls surface charge and dominate the possible electrostatic interaction between pollutant and material. Therefore, pH value of solution has direct linkage with removal process of pollutants by means of controlling the possible electrostatic interaction between the pollutant and adsorbent [74, 75].

Stability

The stability of catalyst was investigated in the present study by allowing performed experiment to stay for at least three days in order to examine whether the reduction of dye as performed in the presence of nanocatalyst is stable or not. In this regard degraded dye was kept in dark and after every 24 h, degradation was inspected with the help of absorption spectra acquired through UV–Vis spectrophotometer, as illustrated in Fig. 7c. Obtained results indicate that no loss of degradation occurred in stay condition for 72 h. Degradation was observed to be in its fairly original form which affirms the stability of catalyst.

Reusability

Reusability of catalyst refers to recycling ability of catalyst that permits its use more than once. Typically, catalysts with the most number of reusable cycles are considered the most efficient catalyst. In the current experiment, reusability was probed by recycling 10 wt% catalyst up to three cycles. The obtained results are presented in Fig. 7d, which indicates Bi-doped BN catalyst can be utilized as an effective reusable catalyst.

Load of Catalyst

Lastly, load of catalyst before the experiment and after three times of recycling was found. Load of catalyst before performing activity was 4 mg, after three times recycling it was measured as 3.7 mg, considering 5% sensing/detecting deviation. The results indicated that Bi-doped BN acts as the most stable, reusable, and the most efficient dye degrading catalyst. Furthermore, a load of catalyst after three days stability test was also performed that indicate almost same result (3.6 mg) as performed after recycling process.

Bactericidal Activity

In-vitro bactericidal activity of BN, Bi₂ O_3, and Bi-doped BN nanosheets for Gram + ve and Gram –ve bacteria are shown with graphical presentations in Figs. 8 and 9 (a–n). The findings indicate superior bactericidal action with synergism of Bi-doped BN nanosheets against E. koli compared with S. aureus as shown in Figs. 8 and 9 (a–j). BN and Bi₂ O₃ at low concentrations showed null efficiency against G + ve and –ve bacteria. At high concentrations, BN depicted (0.35 mm) and (0.45 mm) inhibition and similarly, Bi₂ O₃ showed (0.55 mm) and (0.75 mm) zone of inhibition against G + ve and –ve bacteria respectively Figs. 8 and 9 (a, b, h–i). Significant (P  < 0.05 ) inhibition zones were detailed as (0–2.45 mm) and (3.15–4.35 mm) for S. aureus and (0–1.65 mm) and (2.15–3.65 mm) for E. koli at low and high doses, respectively Figs. 8 and 9 (c–f, j–m). The efficiency percentage (% age) raised from (0–33.8%) and (43.4–60%) against S. aureus and (0–38.8%) and (50.5–85.8%) against E. koli , masing-masing. Ciprofloxacin used as positive control reduced (7.25 mm) and (4.25 mm) G+ve and –ve growth, respectively in comparison with DIW (0 mm). Generally, 2.5 wt% doped BN nanosheets showed zero efficiencies against Gram + ve and –ve bacteria at low dose while, other doped nanosheets depicted significant (P  < 0.05 ) antibacterial activity against Gram –ve compared to Gram +ve as shown in Figs. 8 and 9 (c–f, j–m).

a –g In-vitro antimicrobial efficiency of BN (a ) Dua₂ O₃ (b ) BN nanosheets doped with various concentrations (2.5, 5, 7.5 and 10 wt%) of Bi against S. aureus (c –f ) graphical presentation (g )

h –n In-vitro antimicrobial efficiency of BN (h ) Dua₂ O₃ (i ) BN nanosheets doped with various concentrations (2.5, 5, 7.5 and 10 wt%) of Bi against E. koli (j –m ) graphical demonstration (n )

The oxidative stress fashioned by nanosheets depends upon its size, shape, and concentration. Antibacterial activity with inhibition zones (mm) raised with greater wt% doping of Bi on BN due to more cationic availability. Antibacterial activity depending on size and concentration exhibited inverse relation to doped NS size [2, 22, 80]. ROS generation is considered a major hazardous factor for the destruction of micropathogens [81]. Small-sized NS produce reactive oxygen species (ROS) that stay more real within bacteria membrane within implants ensuing extrusion of cytoplasmic contents and damaging bacterial DNA, proteins, and enzymes thus, killing bacteria as illustrated in Additional file 1:Fig. S7 (a) [80, 82]. Upon irradiation, NPs activate e ⁻ transfer from valence to conduction bands for reduction reactions by generating holes (h ⁺ ) which, ultimately transfer to valence band for oxidation [83, 84]. The reduction process generates O₂ ⁻ . by reaction of e ⁻ with O₂ [85]. The holes (h ⁺ ) via oxidation process generate OH through reaction with either e ⁻ from water (H₂ O) or hydroxyl ions (OH ⁻ ) [86]. The intense reactive oxygen radical species OH quickly reacts with micropathogens biomolecules i.e. proteins, carbohydrates, DNA, lipids and amino acids as shown in Additional file 1:Fig. S7 (a) [87]. Bismuth composites are famous for much effective antibacterial action coupled with low environmental toxicity [88]. Secondly, strong cationic interface of Bi ⁺³ with negatively charged bacterial cell membrane parts grades in increased antibacterial action at high concentrations prompting bacteria collapse [2].

Enzyme catalyzing key steps of various biochemical reactions needed for bacterial survival represents attractive targets for antibiotic discovery. Molecular docking studies to predict inhibition tendency of nanoparticles against selected enzyme targets are of utmost importance for new antibiotic discovery. The mechanism of enzyme inhibition is depicted in Additional file 1:Fig. S7 (c) showing blockage of enzyme active site that hinder substrate access and disrupt catalytic activity of given enzyme target causing bacterial death.

Although extensive literature is reported over biological potential of nanomaterials particularly, bactericidal activity still clear mechanism of their action is not known. Nanomaterials show their antibacterial activity either through cell wall rapturing or may target key enzymes of various pathways that are essential for bacterial survival (see Additional file 1:Fig. S7) [80, 89]. Identifying their target is of worth importance and may contribute towards discovery of new antibiotics with a novel mode of action [90]. Here, enzyme targets of two well-known antibiotics i.e. Rifampicin (Nucleic acid synthesis) and Trimethoprim (Folate biosynthetic pathway) [91] have been selected to evaluate binding tendency, binding interaction pattern, and inhibitory mechanism of Bi-doped BN nanosheets behind their antibacterial activity.

In case of DHFR from E.coli , the best-docked conformation showed H-bonding interaction with Ile14 (2.68 Å) and Ile94 (2.27 Å) alongside metal-contact interaction with Tyr100 having binding score as − 11.971 kcal/mol (Fig. 10a). Similarly, H-bonding interaction with Thr46 (2.19 Å) and metal-contact with Leu20 was observed in case of DHFR from S. aureus having binding score − 8.526 kcal/mol as shown in Fig. 10b.

Binding interaction pattern of Bi-doped BN nanosheets with active site residues of dihydrofolate reductase from a E. koli dan b S. aureus

For DNA gyrase from E.coli , the best binding score observed was − 6.782 kcal/mol having H-bonding interaction with Asp73 (2.22 Å) as shown in Fig. 11a while in case of DNA gyrase from S. aureus H-bonding interaction were observed with Asp81 (2.12 Å and 2.68 Å) alongside metal contact interaction with Ile175 having binding score − 7.819 kcal/mol (Fig. 11b).

Binding interaction pattern of Bi-doped BN nanosheets with active site residues of DNA gyrase from (a) E. koli and (b) S. aureus