I ricercatori hanno lavorato a lungo per affrontare una grande sfida nella scienza della sintesi:progettare e sintetizzare materiali funzionali di ispirazione biologica che rivaleggiano con quelli trovati in biologia. Se possiamo imparare a imitare le funzioni in vivo delle proteine ​​naturali, come il modo in cui le biomolecole (ad es. proteine) e sali inorganici interagiscono per formare denti, ossatura, o minerali di conchiglia:i ricercatori potrebbero essere in grado di applicare la scoperta per produrre, progettabile, materiali ibridi per applicazioni legate all'energia.

In un articolo recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura , Chun-Long Chen, uno scienziato dei materiali presso il Pacific Northwest National Laboratory, ha descritto come il suo team multidisciplinare ha cercato di comprendere e sfruttare la complessa funzionalità della materia gerarchica e prevederne la forma e la funzione. Il team ha progettato accuratamente i peptoidi, tipi di molecole sintetiche definite in sequenza, per controllare la formazione di nanoparticelle d'oro sferiche a forma di corallo. Hanno anche cercato di capire come funziona la molecola peptoide durante la formazione delle particelle, come i peptoidi interagiscono tra loro, e come si legano alla superficie dell'oro. Lungo la strada, hanno scoperto come questi studi meccanicistici possono scrivere le regole per la progettazione di peptoidi per la sintesi di materiali predittivi.

"Il processo è stato affascinante, " disse Chen. "Controllando la nucleazione, cinetica di crescita, e la morfologia dei materiali inorganici nanostrutturati con molecole definite in sequenza per produrre intenzionalmente queste nanostrutture sferiche a forma di corallo ci ha dato fiducia che altre forme potrebbero essere ottenute utilizzando metodi simili".

Il loro lavoro ha portato a un'importante impresa nella sintesi dei materiali:lo sviluppo di una regola empirica per la progettazione di peptoidi che consentono la sintesi predittiva di nanoparticelle d'oro a forma di corallo. Queste singole particelle d'oro mostrano un potenziamento plasmonico fino a 10 ⁵ piega.

Mentre gli organismi naturali producono un'ampia varietà di cose squisitamente complesse, nano-, micro-, e materiali funzionali su macroscala ad alte rese in modo efficiente dal punto di vista energetico e altamente riproducibile, il tutto in condizioni acquose sintetiche piuttosto blande, raggiungere un controllo così preciso sulla morfologia delle nanoparticelle è impegnativo. Essere in grado di farlo è importante per le future applicazioni tecnologiche delle nanoparticelle. Spiccano il livello di controllo e complessità delle nanostrutture in questo particolare studio e, come osserva Chen, ci spinge più vicino alla previsione, bio-ispirato, sintesi dei materiali

La squadra a base di peptoide, approccio biomimetrico genera complessi, nanomateriali funzionali in condizioni sintetiche acquose blande; ricercatori che studiano la sintesi di materiali ibridi per applicazioni legate all'energia (ad es. energia solare o applicazioni per batterie) li troverebbero probabilmente interessanti.

Raggiungere la sintesi prevedibile di nanomateriali inorganici è una sfida di vecchia data. Se gli scienziati possono sviluppare le regole per controllare con precisione la morfologia dei materiali, come fa la Natura durante la formazione dei biominerali, possono utilizzare questi approcci bio-ispirati per produrre, progettabile, materiali ibridi in modo razionale o addirittura prevedibile per applicazioni legate all'energia.

Nel passato, molti ricercatori hanno utilizzato biomolecole, in particolare proteine ​​e peptidi, per sviluppare modi per controllare la formazione di nanomateriali, ma sono ancora sconosciute le regole per la progettazione di molecole che portano alla formazione di materiali con morfologie prevedibili. In questo studio, Chen e il suo team hanno deciso di utilizzare i peptoidi per controllare la formazione di nanomateriali d'oro. Hanno usato specificamente i peptoidi (invece di proteine ​​e peptidi) per tre ragioni:i peptoidi non hanno la complessità intrinseca causata dal ripiegamento della spina dorsale, i peptoidi hanno variazioni simili o addirittura maggiori delle catene laterali, e i peptoidi hanno stabilità chimiche e termiche più elevate.

Il team ha immaginato che l'elevato contenuto di informazioni delle molecole peptoidi avrebbe dato loro il controllo sulla formazione dei materiali e avrebbe rivelato le regole alla base del processo di formazione.

"Il successo di questa ricerca è un bellissimo esempio di lavoro di squadra, " disse Chen.

La carta della squadra, pubblicato in Comunicazioni sulla natura come "Sintesi controllata di nanoparticelle d'oro plasmoniche altamente ramificate attraverso l'ingegneria peptoide, " descrive in dettaglio quel lavoro di squadra. I passaggi includevano la progettazione e la sintesi di peptoidi con modifiche razionali delle loro sostanze chimiche; utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione di cellule fluide (TEM) allo stato dell'arte per osservare come si formano le particelle, allegare, e fondersi insieme in cluster di nanobarre in tempo reale; utilizzando simulazioni di dinamica molecolare per mostrare come le molecole peptoidi con chimica variabile interagiscono con l'oro; e utilizzando la spettrometria di massa degli ioni secondari a tempo di volo e le tecniche di spettroscopia fotoelettronica a raggi X per confermare sperimentalmente le previsioni computazionali.

Attraverso questi studi meccanicistici, il team ha acquisito una chiara comprensione della formazione di nanoparticelle d'oro a forma di corallo controllata da peptoidi. Ciò li ha aiutati a sviluppare una regola empirica per la progettazione di peptoidi che ha consentito in modo predittivo l'evoluzione morfologica dalle nanoparticelle sferiche a quelle a forma di corallo. Il team ha anche scoperto che le singole nanoparticelle d'oro a forma di corallo mostravano un miglioramento plasmonico fino a 105 volte, e sono stati in grado di espandere questo approccio basato sul peptoide per la sintesi controllata di altre nanoparticelle a forma di corallo, evidenziandone l'ampia utilità.

Raggiungere un alto livello di regolazione sulla morfologia, visto quando la formazione biominerale è controllata da proteine ​​e peptidi, è ancora una sfida significativa e le regole che governano la formazione biocontrollata dei nanomateriali rimangono sconosciute. Basandosi sul loro successo nel discernere le regole per produrre nanoparticelle a forma di corallo, Chen e il suo team hanno in mente nuove forme. Attualmente stanno lavorando per raggiungere una comprensione simile della formazione controllata dal peptoide di altre morfologie, tra cui nanoparticelle d'oro a forma di stella a cinque punte e gruppi di nanoparticelle d'argento a forma di foglio. Si aspetta che questo approccio basato sul peptoide possa portare alla creazione di un'ampia gamma di morfologie complesse e sarà eventualmente utile per sviluppare una sintesi predittiva di nanomateriali che hanno morfologie complesse e funzioni programmabili.