Los investigadores han trabajado durante mucho tiempo para abordar un gran desafío en la ciencia de síntesis:diseñar y sintetizar materiales funcionales bioinspirados que compitan con los que se encuentran en biología. Si podemos aprender a imitar las funciones in vivo de las proteínas naturales, como la forma en que las biomoléculas (p. Ej., proteínas) y las sales inorgánicas interactúan para formar los dientes, huesos, o minerales de cáscara:los investigadores podrían aplicar el descubrimiento para producir designable, materiales híbridos para aplicaciones relacionadas con la energía.

En un artículo publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , Chun-Long Chen, un científico de materiales en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, describió cómo su equipo multidisciplinario buscaba comprender y aprovechar la compleja funcionalidad de la materia jerárquica y predecir su forma y función. El equipo diseñó cuidadosamente los peptoides, tipos de moléculas sintéticas definidas por secuencia, para controlar la formación de nanopartículas de oro esféricas en forma de coral. También buscaron comprender cómo funciona la molécula peptoide durante la formación de partículas, cómo los peptoides interactúan entre sí, y cómo se unen a la superficie del oro. Por el camino, descubrieron cómo estos estudios mecanicistas pueden escribir las reglas para diseñar peptoides para la síntesis predictiva de materiales.

"El proceso fue fascinante, ", dijo Chen." Controlando la nucleación, cinética de crecimiento, y la morfología de materiales inorgánicos nanoestructurados con moléculas de secuencia definida para producir intencionalmente estas nanoestructuras esféricas con forma de coral nos dio la confianza de que se podrían lograr otras formas utilizando métodos similares ".

Su trabajo condujo a una hazaña importante en la síntesis de materiales:el desarrollo de una regla empírica para diseñar peptoides que permitan la síntesis predictiva de nanopartículas de oro en forma de coral. Estas partículas de oro individuales exhiben una mejora plasmónica de hasta 10 ⁵ pliegue.

Mientras que los organismos naturales hacen una amplia variedad de exquisitamente complejos, nano-, micro-, y materiales funcionales a macroescala con altos rendimientos de una manera energéticamente eficiente y altamente reproducible, todo bajo condiciones sintéticas acuosas bastante suaves, lograr un control tan preciso sobre la morfología de las nanopartículas es un desafío. Poder hacerlo es importante para las futuras aplicaciones tecnológicas de las nanopartículas. Destacan el nivel de control y complejidad de las nanoestructuras en este estudio en particular y, como señala Chen, nos acerca a lo predictivo, bioinspirado, síntesis de materiales.

El equipo está basado en peptoides, enfoque biomimétrico genera complejo, nanomateriales funcionales en condiciones sintéticas acuosas suaves; investigadores que estudian la síntesis de materiales híbridos para aplicaciones relacionadas con la energía (por ejemplo, aplicaciones de energía solar o baterías) probablemente las encuentren de interés.

Lograr la síntesis predecible de nanomateriales inorgánicos es un desafío de larga data. Si los científicos pueden desarrollar las reglas para controlar con precisión la morfología de los materiales, como lo hace la naturaleza durante la formación biomineral, pueden usar estos enfoques bioinspirados para producir materiales altamente complejos, designable, materiales híbridos de forma racional o incluso predecible para aplicaciones relacionadas con la energía.

En el pasado, Muchos investigadores han utilizado biomoléculas, en particular proteínas y péptidos, para desarrollar formas de controlar la formación de nanomateriales. pero aún se desconocen las reglas para diseñar moléculas que conduzcan a la formación de materiales con morfologías predecibles. En este estudio, Chen y su equipo decidieron usar peptoides para controlar la formación de nanomateriales de oro. Usaron específicamente peptoides (en lugar de proteínas y péptidos) por tres razones:los peptoides no tienen la complejidad intrínseca causada por el plegamiento de la columna vertebral, los peptoides tienen variaciones similares o incluso mayores de cadenas laterales, y los peptoides tienen mayor estabilidad química y térmica.

El equipo imaginó que el alto contenido de información de las moléculas peptoides les daría control sobre la formación de materiales y revelaría las reglas detrás del proceso de formación.

"El éxito de esta investigación es un hermoso ejemplo de trabajo en equipo, "dijo Chen.

El papel del equipo, publicado en Comunicaciones de la naturaleza como "Síntesis controlada de nanopartículas de oro plasmónicas altamente ramificadas mediante ingeniería peptoide, "describe ese trabajo en equipo en detalle. Los pasos incluyeron diseñar y sintetizar peptoides con modificaciones racionales de sus químicas; usar microscopía electrónica de transmisión de células de fluidos (TEM) de última generación para observar cómo se forman las partículas, adjuntar, y fusionarse en grupos de nanobarras en tiempo real; el uso de simulaciones de dinámica molecular para mostrar cómo las moléculas peptoides con química variable interactúan con el oro; y el uso de técnicas de espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para confirmar experimentalmente las predicciones computacionales.

A través de estos estudios mecanicistas, El equipo obtuvo una comprensión clara de la formación de nanopartículas de oro en forma de coral controladas por peptoides. Esto les ayudó a desarrollar una regla empírica para diseñar peptoides que permitieran de manera predictiva la evolución morfológica de nanopartículas esféricas a forma de coral. El equipo también descubrió que las nanopartículas de oro individuales en forma de coral mostraban una mejora plasmónica de hasta 105 veces, y pudieron expandir este enfoque basado en peptoides para la síntesis controlada de otras nanopartículas en forma de coral, destacando su amplia utilidad.

Lograr un alto nivel de regulación sobre la morfología, visto cuando la formación biomineral está controlada por proteínas y péptidos, sigue siendo un desafío importante y las reglas que gobiernan la formación biocontrolada de nanomateriales siguen sin conocerse. Sobre la base de su éxito al discernir las reglas para fabricar nanopartículas con forma de coral, Chen y su equipo tienen nuevas formas en mente. Actualmente están trabajando para lograr una comprensión similar de la formación controlada por peptoides de otras morfologías, incluyendo nanopartículas de oro en forma de estrella de cinco puntas y conjuntos de nanopartículas de plata en forma de lámina. Él espera que este enfoque basado en peptoides podría conducir a la creación de una amplia gama de morfologías complejas y eventualmente será útil para desarrollar una síntesis predictiva de nanomateriales que tienen morfologías complejas y funciones programables.