Los químicos de la Universidad Carnegie Mellon han demostrado que las nanopartículas sintéticas pueden alcanzar el mismo nivel de complejidad estructural, jerarquía y precisión como sus contrapartes naturales:biomoléculas. El estudio, publicado en Ciencias , también revela los mecanismos a nivel atómico detrás del autoensamblaje de nanopartículas.

Los hallazgos del laboratorio del profesor de química Rongchao Jin brindan a los investigadores una ventana importante sobre cómo se forman las nanopartículas, y ayudará a guiar la construcción de nanopartículas, incluidos los que se pueden utilizar en la fabricación de chips de computadora, creación de nuevos materiales, y desarrollo de nuevos fármacos y dispositivos de administración de fármacos.

"La mayoría de la gente piensa que las nanopartículas son cosas simples, porque son tan pequeños. Pero cuando miramos las nanopartículas a nivel atómico, descubrimos que están llenos de maravillas, "dijo Jin.

Las nanopartículas suelen tener un tamaño de entre 1 y 100 nanómetros. Las partículas en el extremo más grande de la nanoescala son más difíciles de crear con precisión. Jin ha estado a la vanguardia en la creación de nanopartículas de oro precisas durante una década, primero estableciendo la estructura de un nanocluster de Au25 ultrapequeño y luego trabajando en otros cada vez más grandes. En 2015, Su laboratorio utilizó cristalografía de rayos X para establecer la estructura de una nanopartícula de Au133 y descubrió que contenía complejos, Patrones autoorganizados que reflejan patrones encontrados en la naturaleza.

En el estudio actual, buscaron descubrir los mecanismos que causaron la formación de estos patrones. Los investigadores, dirigido por el estudiante graduado Chenjie Zeng, estableció la estructura de Au246, una de las nanopartículas más grandes y complejas creadas por científicos hasta la fecha y la nanopartícula de oro más grande cuya estructura está determinada por cristalografía de rayos X. Au246 resultó ser un candidato ideal para descifrar las complejas reglas del autoensamblaje porque contiene un número ideal de átomos y ligandos de superficie y tiene aproximadamente el mismo tamaño y peso que una molécula de proteína.

El análisis de la estructura de Au246 reveló que las partículas tenían mucho más en común con las biomoléculas que el tamaño. Descubrieron que los ligandos de las nanopartículas se autoensamblaban en patrones de rotación y paralelos que son sorprendentemente similares a los patrones que se encuentran en la estructura secundaria de las proteínas. Esto podría indicar que las nanopartículas de este tamaño podrían interactuar fácilmente con los sistemas biológicos, proporcionando nuevas vías para el descubrimiento de fármacos.

Los investigadores también encontraron que las partículas de Au246 se forman siguiendo dos reglas. Primero, maximizan las interacciones entre átomos, un mecanismo que se había teorizado pero aún no se había visto. En segundo lugar, las nanopartículas coinciden con patrones de superficie simétricos, un mecanismo que no se había considerado anteriormente. El emparejamiento que es similar a las piezas de un rompecabezas que se juntan, muestra que los componentes de la partícula pueden reconocerse entre sí por sus patrones y ensamblarse espontáneamente en la estructura altamente ordenada de una nanopartícula.

"El autoensamblaje es una forma importante de construcción en el nano-mundo. Comprender las reglas del autoensamblaje es fundamental para diseñar y construir nanopartículas complejas con una amplia gama de funcionalidades, "dijo Zeng, el autor principal del estudio.

En estudios futuros, Jin espera llevar los límites de cristalización de las nanopartículas aún más a partículas cada vez más grandes. También planea explorar el poder catalítico y electrónico de las partículas.