I ricercatori dell'Università di Tokyo hanno utilizzato un ibrido di Monte Carlo e simulazioni di dinamica molecolare per prevedere l'autoassemblaggio di particelle Janus cariche, che possono portare a nanostrutture biomimetiche che possono assemblarsi come proteine. Credito:Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
I ricercatori del Centro di ricerca per la scienza e la tecnologia avanzate e dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno utilizzato una nuova simulazione al computer per modellare l'auto-organizzazione elettrostatica delle nanoparticelle zwitterioniche, utili per la somministrazione di farmaci. Hanno scoperto che l'inclusione delle fluttuazioni di carica transitorie aumenta notevolmente la precisione, il che può aiutare a portare allo sviluppo di nuovi nanomateriali intelligenti autoassemblanti.
Nell'antica mitologia romana, Giano era il dio dell'inizio e della fine. La sua doppia natura si rifletteva spesso nella sua rappresentazione con due facce. Presta anche il suo nome alle cosiddette particelle Janus, che sono nanoparticelle che contengono due o più proprietà fisiche o chimiche distinte sulla loro superficie. Una promettente soluzione "a due facce" utilizza particelle zwitterioniche, che sono sfere con un lato caricato positivamente e un lato caricato negativamente. I ricercatori sperano di creare strutture auto-organizzanti, che possono essere attivate da cambiamenti nella concentrazione di sale o nel pH di una soluzione. Tuttavia, questo tipo di ingegneria "dal basso" richiede simulazioni al computer più accurate da implementare.
Ora, un team di ricercatori del Centro di ricerca per la scienza e la tecnologia avanzate e l'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno creato un nuovo modello al computer che incorpora le fluttuazioni transitorie nelle distribuzioni di cambiamento sulla superficie delle particelle che possono dare origine a una più ampia varietà di strutture, rispetto al software attuale. "Simulare la dissociazione dinamica o l'associazione di gruppi di ionizzazione è intrinsecamente più impegnativo e deve essere ripetuto ripetutamente fino a quando non si ottengono risultati autoconsistenti", afferma il primo autore Jiaxing Yuan.
I ricercatori hanno dimostrato che il metodo precedente di supporre che ciascuna delle particelle porti una carica costante può dare risultati imprecisi. Per simulare la possibile transizione verso ammassi compatti, invece di produrre esclusivamente filamenti allungati, il computer doveva includere fluttuazioni di breve durata della carica superficiale. Queste differenze sono particolarmente evidenti a bassa concentrazione di sale e alta forza di accoppiamento elettrostatico.
Negli organismi viventi, le proteine si ripiegano in forme molto specifiche basate in gran parte sull'attrazione tra le regioni caricate positivamente e negativamente. In futuro, le particelle progettate artificialmente potrebbero essere in grado di autoassemblarsi quando innescate da un cambiamento delle condizioni. "Con le particelle zwitterioniche, speriamo di creare materiali funzionali con proprietà sintonizzabili, simili all'auto-organizzazione delle proteine caricate", afferma l'autore senior Hajime Tanaka.
La ricerca è stata pubblicata in Physical Review Letters . + Esplora ulteriormente
