I chimici della Carnegie Mellon University hanno dimostrato che le nanoparticelle sintetiche possono raggiungere lo stesso livello di complessità strutturale, gerarchia e accuratezza come loro controparti naturali:le biomolecole. Lo studio, pubblicato in Scienza , rivela anche i meccanismi a livello atomico alla base dell'autoassemblaggio delle nanoparticelle.

I risultati del laboratorio del professore di chimica Rongchao Jin forniscono ai ricercatori un'importante finestra su come si formano le nanoparticelle, e aiuterà a guidare la costruzione di nanoparticelle, compresi quelli che possono essere utilizzati nella fabbricazione di chip per computer, creazione di nuovi materiali, e sviluppo di nuovi farmaci e dispositivi di somministrazione dei farmaci.

"La maggior parte delle persone pensa che le nanoparticelle siano cose semplici, perché sono così piccoli. Ma quando osserviamo le nanoparticelle a livello atomico, abbiamo scoperto che sono pieni di meraviglie, " disse Jin.

Le nanoparticelle hanno tipicamente una dimensione compresa tra 1 e 100 nanometri. Le particelle sull'estremità più grande della nanoscala sono più difficili da creare con precisione. Jin è stato in prima linea nella creazione di nanoparticelle d'oro precise per un decennio, prima stabilendo la struttura di un nanocluster Au25 ultra piccolo e poi lavorando su quelli sempre più grandi. Nel 2015, il suo laboratorio ha usato la cristallografia a raggi X per stabilire la struttura di una nanoparticella Au133 e ha scoperto che conteneva complessi, modelli auto-organizzati che rispecchiavano modelli presenti in natura.

Nello studio attuale, hanno cercato di scoprire i meccanismi che hanno causato la formazione di questi modelli. I ricercatori, guidato dallo studente laureato Chenjie Zeng, ha stabilito la struttura di Au246, una delle nanoparticelle più grandi e complesse create dagli scienziati fino ad oggi e la più grande nanoparticella d'oro la cui struttura è stata determinata dalla cristallografia a raggi X. Au246 si è rivelato un candidato ideale per decifrare le complesse regole dell'autoassemblaggio perché contiene un numero ideale di atomi e ligandi di superficie ed ha all'incirca le stesse dimensioni e peso di una molecola proteica.

L'analisi della struttura di Au246 ha rivelato che le particelle avevano molto più in comune con le biomolecole che con le dimensioni. Hanno scoperto che i ligandi nelle nanoparticelle si autoassemblavano in modelli rotazionali e paralleli che sono sorprendentemente simili ai modelli trovati nella struttura secondaria delle proteine. Ciò potrebbe indicare che nanoparticelle di queste dimensioni potrebbero facilmente interagire con i sistemi biologici, fornendo nuove strade per la scoperta di farmaci.

I ricercatori hanno anche scoperto che le particelle di Au246 si formano seguendo due regole. Primo, massimizzano le interazioni tra gli atomi, un meccanismo che era stato teorizzato ma non ancora visto. In secondo luogo le nanoparticelle corrispondono a modelli di superficie simmetrici, un meccanismo che non era stato considerato in precedenza. La corrispondenza, che è simile ai pezzi di un puzzle che si uniscono, mostra che i componenti della particella possono riconoscersi l'un l'altro dai loro schemi e assemblarsi spontaneamente nella struttura altamente ordinata di una nanoparticella.

"L'autoassemblaggio è un modo importante di costruzione nel nanomondo. Comprendere le regole dell'autoassemblaggio è fondamentale per progettare e costruire nanoparticelle complesse con un'ampia gamma di funzionalità, " disse Zeng, l'autore principale dello studio.

Negli studi futuri, Jin spera di spingere i limiti di cristallizzazione delle nanoparticelle ancora più lontano verso particelle sempre più grandi. Ha anche in programma di esplorare il potere elettronico e catalitico delle particelle.