I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Dipartimento dell'Energia e dell'Università di Washington (UW) hanno progettato con successo una molecola bio-ispirata in grado di dirigere gli atomi d'oro per formare stelle perfette su nanoscala. Il lavoro è un passo importante verso la comprensione e il controllo della forma delle nanoparticelle metalliche e la creazione di materiali avanzati con proprietà sintonizzabili.

I nanomateriali metallici hanno proprietà ottiche interessanti, chiamate proprietà plasmoniche, afferma Chun-Long Chen, che è un ricercatore senior del PNNL, professore affiliato di ingegneria chimica e chimica all'UW e membro di facoltà dell'UW-PNNL. In particolare, è già noto che i nanomateriali metallici a forma di stella esibiscono miglioramenti unici utili per il rilevamento e il rilevamento di batteri patogeni, tra le altre applicazioni di sicurezza e salute nazionale.

Per creare queste straordinarie nanoparticelle, il team ha messo a punto sequenze di peptoidi, un tipo di polimero sintetico programmabile simile a una proteina. "I peptoidi offrono un vantaggio unico nel raggiungimento di controlli a livello molecolare", afferma Chen. In questo caso, i peptoidi guidano piccole particelle d'oro ad attaccarsi e rilassarsi per formare quelle gemellate di cinque volte più grandi, stabilizzando anche le sfaccettature della struttura cristallina. Il loro approccio è stato ispirato dalla natura, dove le proteine ​​possono controllare la creazione di materiali con funzionalità avanzate.

Jim De Yoreo e Biao Jin hanno utilizzato un'avanzata microscopia elettronica a trasmissione in situ (TEM) per "vedere" la formazione delle stelle in soluzione su scala nanometrica. La tecnica ha fornito una comprensione meccanicistica approfondita di come i peptoidi guidano il processo e ha rivelato i ruoli dell'attaccamento delle particelle e della stabilizzazione delle sfaccettature nel controllo della forma. De Yoreo è un Battelle Fellow presso PNNL e professore affiliato di scienza dei materiali e ingegneria presso UW, e Jin è un ricercatore associato post-dottorato presso PNNL.

Dopo aver assemblato la loro costellazione su nanoscala, i ricercatori hanno quindi utilizzato simulazioni di dinamica molecolare per catturare un livello di dettaglio che non può essere ricavato dagli esperimenti e per chiarire perché specifici peptoidi controllavano la formazione delle stelle perfette. Xin Qi, un ricercatore post-dottorato in ingegneria chimica nel gruppo del professor Jim Pfaendtner, ha condotto questo lavoro all'UW. Qi ha utilizzato il cluster di supercomputer Hyak di UW per modellare i fenomeni interfacciali tra diversi peptoidi e superfici delle particelle.

Le simulazioni svolgono un ruolo fondamentale nell'apprendimento di come progettare nanomateriali plasmonici che assorbono e diffondono la luce in modi unici. "Devi avere una comprensione a livello molecolare per formare questa bella particella a forma di stella con interessanti proprietà plasmoniche", ha detto Chen. Le simulazioni possono costruire la comprensione teorica sul motivo per cui determinati peptoidi creano determinate forme.

I ricercatori stanno lavorando verso un futuro in cui le simulazioni guidano la progettazione sperimentale, in un ciclo che il team spera porterà alla sintesi predittiva di nanomateriali con i miglioramenti plasmonici desiderati. In questo aspetto, vorrebbero prima utilizzare strumenti computazionali per identificare catene e sequenze laterali peptoidi con la selettività delle faccette desiderata. Quindi impiegherebbero tecniche di imaging in situ all'avanguardia, come TEM a cellule liquide, per monitorare l'espressione diretta delle sfaccettature, la stabilizzazione e l'attaccamento delle particelle. In altre parole, Chen dice:"Se qualcuno può dirci che una struttura di nanomateriali plasmonici ha proprietà ottiche interessanti, possiamo usare un approccio basato sui peptidi per realizzarlo in modo prevedibile?"

Anche se non sono a quel punto, questo lavoro sperimentale-computazionale di successo li avvicina sicuramente. Inoltre, la capacità del team di sintetizzare belle forme stellari in modo coerente è un passo importante; particelle più omogenee si traducono in proprietà ottiche più prevedibili.

Questo lavoro è stato pubblicato di recente sulla rivista Angewandte Chemie . + Esplora ulteriormente

Nanoparticelle a forma di corallo costruite su progetto utilizzando peptoidi ingegnerizzati