La loro teoria e modello computazionale, pubblicati negli Proceedings of the National Academy of Sciences , consente la massima economia di progettazione o la struttura più ampia possibile utilizzando il minor numero di pezzi programmabili e autoassemblanti.

Uno del Santo Graal della scienza dei materiali è emulare la capacità della natura di formare materiali autoassemblanti robusti e complessi in grado di creare strutture capaci di un'ampia gamma di funzioni. Pensa alle nanostrutture cristalline che si formano sulle ali di una farfalla e la cui forma e dimensione precise determinano esattamente quali lunghezze d'onda della luce riflettere, conferendo alle diverse specie i loro segni distintivi.

"Ci siamo ispirati all'autoassemblaggio dei virus", afferma Greg Grason, professore di scienza dei polimeri all'UMass Amherst e autore senior dell'articolo.

"Sebbene alcuni virus possano comportare rischi dal punto di vista della salute, hanno un incredibile design 'autochiudente'. Molti hanno un guscio sferico rigido e altamente simmetrico, e questo guscio è costruito con il minor numero possibile di disposizioni proteiche. Il guscio è anche della giusta dimensione:se fosse più grande, non sarebbe in grado di infettare il suo ospite; se fosse più piccolo, il virus non sarebbe abbastanza potente. Vogliamo essere in grado di creare materiali che possano autoassemblarsi economicamente forma perfetta, proprio come i virus, tranne che vogliamo progettare tipi di geometrie completamente diverse."

Grason e il suo team, compresi colleghi delle università di Brandeis e Syracuse, nonché i co-autori principali Carlos M. Duque e Douglas M. Hall, che hanno entrambi completato questa ricerca come parte dei loro studi universitari all'UMass Amherst, non sono certo i primi lasciarsi ispirare dai virus.

Negli anni '60, una coppia di biologi strutturali di nome Donald Caspar e il premio Nobel Aaron Klug, ispirati dalle famose cupole geodetiche di Buckminster Fuller, si resero conto che la struttura delle sue cupole descriveva anche i gusci dei virus. Hanno poi derivato una serie di principi di progettazione, chiamati principi di simmetria di Caspar-Klug, che descrivono come costruire una struttura che racchiuda il volume più grande possibile con il minor numero di elementi costitutivi.

"Ispirati dalla bellezza e dall'eleganza della costruzione Caspar-Klug per i gusci virali icosaedrici, abbiamo sviluppato una tabella di marcia per trovare regole di progettazione economiche che possano aiutarci a progettare un'ampia gamma di nanostrutture molto utili", afferma Duque.

Tuttavia, il principio di simmetria di Caspar-Klug descrive solo strutture con curvature positive o forme, come una cupola, che curvano verso l'interno in ogni direzione.

"Ci siamo chiesti cosa accadrebbe se invertissimo la curvatura in modo che le curve corressero in direzioni opposte l'una dall'altra, come una patatine Pringles", afferma Grason.

"Quali tipi di geometrie a chiusura automatica potrebbero formarsi con una curvatura negativa e potrebbero preservare l'economia dell'assemblaggio di Caspar-Klug?"

Le strutture con questo tipo di curvatura negativa hanno una struttura spugnosa costituita da fori e tubi interconnessi e sono infatti strettamente correlate alle nanostrutture fotoniche formate nelle scaglie delle ali delle farfalle.

Per rispondere alle loro domande, Grason e i suoi coautori hanno progettato un modello computazionale, che ha dimostrato che le strutture con una curvatura negativa tripla periodica potrebbero effettivamente preservare l'economia di assemblaggio osservata da Caspar e Klug nei virus sferici.

"Siamo in grado di estendere l'economia delle forme con una curvatura positiva a un insieme molto più complesso di strutture che possono essere realizzate assemblando blocchi "programmabili" che possono essere realizzati utilizzando gli approcci della nanotecnologia del DNA o della progettazione di proteine ​​de novo ," dice Grason.

"Il nostro lavoro modella il processo di assemblaggio", afferma Hall.

"In primo luogo, alcuni elementi costitutivi si uniscono per formare una toppa curvata negativamente, come una patatina con bordi ruvidi. Man mano che la toppa cresce, la superficie si chiude su se stessa e forma canali che si estendono in tutte e tre le dimensioni. La disposizione altamente regolare di canali è ciò che consente nuovi potenziali materiali con colori brillanti o la capacità di attenuare i suoni."