È sempre stato il Santo Graal della scienza dei materiali descrivere e controllare la relazione struttura-funzione del materiale. Le nanoparticelle sono una classe attraente di componenti da utilizzare in materiali funzionali perché mostrano proprietà dipendenti dalle dimensioni, come il superparamagnetismo e l'assorbimento plasmonico della luce. Per di più, il controllo della disposizione delle nanoparticelle può portare a proprietà impreviste, ma tali studi sono difficili da realizzare a causa di approcci efficienti limitati per produrre nanostrutture tridimensionali ben definite.

Secondo gli scienziati del Biohybrid Materials Group, guidato dal Prof. Mauri Kostiainen, le nanoparticelle cariche della natura – gabbie proteiche e virus – possono essere utilizzate per determinare la struttura dei nanomateriali compositi.

I virus e le proteine ​​sono particelle modello ideali da utilizzare nella scienza dei materiali, in quanto sono codificati geneticamente e hanno una struttura atomicamente precisa. Queste particelle biologiche ben definite possono essere utilizzate per guidare la disposizione di altre nanoparticelle in una soluzione acquosa. In questo studio, i ricercatori mostrano che la combinazione del virus del mosaico del tabacco nativo con nanoparticelle d'oro in modo controllato porta a fili di superreticolo di proteine ​​​​metalliche.

"Inizialmente abbiamo studiato gli aspetti geometrici dell'ingegneria del superreticolo di nanoparticelle. Abbiamo ipotizzato che il rapporto dimensionale di nanotubi di carica opposta (virus TMV) e nanosfere (nanoparticelle d'oro) potesse essere utilizzato in modo efficiente per controllare la geometria del superreticolo bidimensionale. Siamo stati effettivamente in grado di dimostrarlo. Ancora più interessante, la nostra caratterizzazione strutturale ha rivelato dettagli sui meccanismi di assemblaggio cooperativo che procede come una cerniera, portando a fili superreticolo ad alto rapporto d'aspetto, " Dice Kostiainen. "Controllare l'abitudine macroscopica dei nanomateriali autoassemblati è tutt'altro che banale, " Aggiunge.

Potenziale di fili superlattice per formare nuovi materiali

I risultati hanno mostrato che le interazioni su scala nanometrica controllano realmente l'abito macroscopico dei fili del superreticolo formati. I ricercatori hanno osservato che i fili macroscopici formati subiscono una torsione elicoidale destrorsa che è stata spiegata dall'attrazione elettrostatica tra il virus TMV modellato in modo asimmetrico e le nanoparticelle sferiche di carica opposta. Poiché le nanostrutture plasmoniche influenzano efficacemente la propagazione della luce, la torsione elicoidale ha determinato proprietà ottiche asimmetriche (dicroismo circolare plasmonico) del materiale.

"Questo risultato è rivoluzionario nel senso che dimostra che le strutture macroscopiche e le proprietà fisiche possono essere determinate dalla nanostruttura dettagliata, cioè la sequenza amminoacidica delle particelle virali. L'ingegneria genetica si occupa di routine della progettazione della sequenza amminoacidica delle proteine, ed è una questione di tempo quando vengono dimostrate abitudini macroscopiche simili o anche più sofisticate e proprietà struttura-funzione per gabbie proteiche progettate ab-initio, " spiega il Dr. Ville Liljeström che ha lavorato al progetto durante i tre anni dei suoi studi di dottorato.

Il gruppo di ricerca ha dimostrato un proof-of-concept che mostra che i fili del superreticolo possono essere utilizzati per formare materiali con proprietà fisiche controllate da campi esterni. Funzionalizzando i fili del superreticolo con nanoparticelle magnetiche, i fili potrebbero essere allineati da un campo magnetico. In questo modo hanno prodotto film polarizzanti plasmonici. Lo scopo della dimostrazione era dimostrare che l'autoassemblaggio elettrostatico di nanoparticelle può essere potenzialmente utilizzato per formare materiali lavorabili per applicazioni future.