Guidato dal professore di Ikerbasque Luis Liz-Marzán, i ricercatori del Centro di ricerca cooperativa sui biomateriali CIC biomaGUNE hanno sviluppato un meccanismo mediante il quale gli atomi d'oro vengono depositati mediante riduzione chimica su nanotubi d'oro precedentemente formati per produrre una struttura quasi elicoidale (le particelle acquisiscono chiralità). Questa geometria consente a queste "nanoviti" di interagire con la luce polarizzata circolarmente in modo molto più efficiente di quanto si ottenga con qualsiasi altro oggetto noto. Queste proprietà potrebbero portare alla rilevazione di biomolecole in modo molto selettivo e molto sensibile. Quello che abbiamo qui è un versatile, meccanismo riproducibile e scalabile per la fabbricazione di nanoparticelle con forte attività ottica chirale. Questa ricerca è stata pubblicata sulla prestigiosa rivista scientifica Scienza .

Sono molti i campi in cui l'interazione tra luce e materiale viene utilizzata per rilevare le sostanze. Fondamentalmente, la luce risplende sul materiale e viene assorbita o riflessa in modo molto luminoso o molto selettivo, a seconda delle dimensioni e della geometria della particella e del tipo di luce incidente. Il gruppo di ricerca guidato da Luis Liz-Marzán, che opera nel campo noto come nanoplasmonica, utilizza nanoparticelle di metalli nobili, come oro o argento, "perché la luce interagisce in modo speciale con particelle di questo tipo e dimensione, " ha spiegato Liz-Marzán, Direttore Scientifico del CIC biomaGUNE. "In questo caso, abbiamo studiato l'interazione tra queste nanoparticelle d'oro chirali e la luce polarizzata circolarmente".

La luce non è normalmente polarizzata, in altre parole, le onde si espandono praticamente in qualsiasi orientamento all'interno del fascio di luce. "Quando è polarizzato, l'onda va solo in una direzione; quando è polarizzata circolarmente l'onda ruota, in senso orario o antiorario, " ha aggiunto il ricercatore. "Le sostanze chirali tendono ad assorbire la luce con una specifica polarizzazione circolare, piuttosto che la luce polarizzata nella direzione opposta."

La chiralità è un fenomeno che si verifica su tutte le scale:un oggetto chirale non può avere la sua immagine speculare sovrapposta; Per esempio, una mano è l'immagine speculare dell'altra, sono identici, ma se uno si sovrappone all'altro, la posizione delle dita non coincide. La stessa cosa avviene "in alcune biomolecole; e il fatto che una molecola non possa essere sovrapposta alla sua immagine speculare dà luogo a molti processi biologici. Ad esempio, alcune malattie insorgono a causa della perdita di riconoscimento di una delle due forme della sostanza chirale che è responsabile di una specifica azione, " disse Liz-Marzan.

Fabbricazione tridimensionale su un oggetto nanometrico

Come ha spiegato il professore di Ikerbasque, "Quello che abbiamo fatto è cercare un meccanismo per guidare la deposizione di atomi d'oro su nanoparticelle fabbricate in anticipo sotto forma di un'asta in modo che questi atomi si depositino secondo una struttura praticamente elicoidale, una sorta di "nanovite". In questo modo la particella stessa acquisisce una geometria chirale. Questa nuova strategia si basa su un meccanismo chimico supramolecolare, in altre parole, su strutture ottenute attraverso molecole che si associano tra loro senza formare legami chimici." Liz-Marzán afferma che "questo significa proprio poter controllare la struttura del materiale su scala nanometrica, ma all'interno di una stessa nanoparticella; in altre parole, si tratta di fabbricazione tridimensionale su un oggetto nanometrico. In realtà, è quasi come decidere dove devono essere posizionati atomo per atomo per ottenere una struttura davvero complicata."

Per far crescere queste nanoparticelle, "le particelle cilindriche sono circondate da molecole di sapone, da un tensioattivo. In mezzo alle normali molecole di sapone abbiamo inserito additivi con chiralità molecolare, in modo che l'interazione supramolecolare li faccia organizzarsi sulla superficie dell'asta metallica con una struttura quasi elicoidale, a sua volta guidando la crescita del metallo con quella stessa struttura che gli conferisce la chiralità che cerchiamo. Di conseguenza, possiamo praticamente ottenere le massime efficienze mai raggiunte nella rilevazione spettrometrica con luce polarizzata circolarmente."

Liz-Marzán ha confermato che il processo può essere generalizzato ad altri tipi di materiali:"Abbiamo visto che quando viene applicata la stessa strategia, gli atomi di platino possono essere depositati su nanotubi d'oro con la stessa struttura elicoidale. Si aprono così tutta una serie di possibilità sia nelle applicazioni delle loro proprietà ottiche che in altre nel campo della catalisi (il platino è un catalizzatore molto efficiente). Allo stesso tempo, potrebbe portare a un enorme miglioramento nella sintesi di molecole chirali che sarebbe di importanza biologica e terapeutica." Questo meccanismo potrebbe essere applicato anche a nuove tecniche di imaging biomedico, per la produzione di sensori, etc. "We believe that this work is going to open up many paths for other researchers precisely because of the generalization of the mechanism that can be used with many different molecules. A lot of work lies ahead, " Egli ha detto.

The research was conducted and coordinated by CIC biomaGUNE, but they had the collaboration of research groups from other organizations. These include the Complutense University of Madrid (computer calculations showing the formation of the helicoidal structures when the two types of surfactants are blended), the University of Vigo and the University of Extremadura (theoretical calculations of the optical properties of the particles), and the University of Antwerp (obtaining of three-dimensional electron microscopy images and the animated reconstructions of the particles fabricated).

Mapping nano chirality in three dimensions

Essential to understanding the behavior of these complex nanoparticle assemblies is to intimately understand their structure. When handling such intricate three-dimensional morphologies, imaging in two dimensions simply will not do. The EMAT team lead by Prof. Sara Bals at the University of Antwerp is the world leading electron microscopy group for imaging nanoparticles in three dimensions. By taking a series of two-dimensional images collected at many viewing angles they can be combined with specially designed computer code to generate a three-dimensional representation of the particle. This is the so-called transmission electron tomography method, which is an essential tool in nanoscience, helping researchers from around the world to visualize nanoparticles and understand their structure and how they are formed.

The EMAT team has gone one step further to understand the origin of the chiral properties these unprecedented nanorods display. By developing a method to study the three-dimensional periodicity of the individual particles using a 3-D Fast Fourier Transform on the tomography previously obtained, repetitive patterns have been discovered in the structure. "The nanoparticles appeared to show a long-range chiral structure, but how can we identify this in a meaningful way to understand the nanoparticle's properties?" asks Prof. Bals. By mapping the periodic structure using this technique, a characteristic X-shape appeared within the 3-D FFT pattern. Scientists have seen this characteristic fingerprint before; in the revolutionary X-ray diffraction experiment leading to the discovery of the most known chiral structure—our DNA.

Using that characteristic pattern as an input, regions in the reconstruction with helicoidal features were identified. Inoltre, "Our developed technique not only allows us to identify a chiral structure, but can also tell us the chiral handedness of each individual nanoparticle, " says Prof. Bals.

The preparation and characterization of such complex chiral nanoparticles is an important step in reaching a key scientific milestone. It was once believed that the complexity of biological superstructures could not be artificially prepared. Però, with increasing understanding of nanostructure design and growth, scientists can prepare atom-by-atom designed materials that are tailor-made for a desired application, and in doing so—continuously push the frontier of material design.