A cargo del profesor Ikerbasque Luis Liz-Marzán, Investigadores del Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales CIC biomaGUNE han desarrollado un mecanismo mediante el cual se depositan átomos de oro mediante reducción química sobre nanobarras de oro previamente formadas para producir una estructura cuasi-helicoidal (las partículas adquieren quiralidad). Esta geometría permite que estos "nanotornillos" interactúen con la luz polarizada circularmente de manera mucho más eficiente que lo que se logra con cualquier otro objeto conocido. Estas propiedades podrían conducir a la detección de biomoléculas de una forma muy selectiva y muy sensible. Lo que tenemos aquí es un versátil, mecanismo reproducible que es escalable para la fabricación de nanopartículas con fuerte actividad óptica quiral. Esta investigación ha sido publicada en la prestigiosa revista científica Ciencias .

Hay muchos campos en los que se utiliza la interacción entre la luz y el material para detectar sustancias. Básicamente, la luz brilla sobre el material y se absorbe o refleja de forma muy brillante o muy selectiva, dependiendo del tamaño y geometría de la partícula y del tipo de luz incidente. El grupo de investigación liderado por Luis Liz-Marzán, que trabaja en el campo conocido como nanoplásmico, utiliza nanopartículas de metales nobles, como el oro o la plata, "porque la luz interactúa de forma especial con partículas de este tipo y tamaño, "explicó Liz-Marzán, Director Científico de CIC biomaGUNE. "En este caso, estudiamos la interacción entre estas nanopartículas de oro quirales y la luz polarizada circularmente ".

La luz normalmente no está polarizada, en otras palabras, las ondas se expanden prácticamente en cualquier orientación dentro del haz de luz. "Cuando está polarizado, la ola solo va en una dirección; cuando está polarizada circularmente, la onda gira, ya sea en sentido horario o antihorario, "añadió el investigador." Las sustancias quirales tienden a absorber la luz con una polarización circular específica, en lugar de la luz polarizada en la dirección opuesta ".

La quiralidad es un fenómeno que ocurre en todas las escalas:un objeto quiral no puede tener su imagen especular superpuesta; por ejemplo, una mano es la imagen especular de la otra, son idénticos, pero si uno se superpone al otro, la posición de los dedos no coincide. Lo mismo ocurre "en algunas biomoléculas; y el hecho de que una molécula no pueda superponerse a su imagen especular da lugar a muchos procesos biológicos. Por ejemplo, algunas enfermedades surgen debido a la pérdida de reconocimiento de una de las dos formas de la sustancia quiral que es responsable de una acción específica, "dijo Liz-Marzán.

Fabricación tridimensional sobre un objeto nanométrico

Como explicó el profesor Ikerbasque, “lo que hemos hecho es buscar un mecanismo que guíe la deposición de átomos de oro sobre nanopartículas fabricadas de antemano en forma de varilla para que estos átomos se depositen según una estructura prácticamente helicoidal, una especie de "nano-tornillo". De esa manera, la partícula adquiere una geometría quiral. Esta nueva estrategia se basa en un mecanismo químico supramolecular, en otras palabras, sobre estructuras obtenidas a través de moléculas que se asocian entre sí sin formar enlaces químicos ”. Liz-Marzán afirma que“ esto realmente significa poder controlar la estructura del material a escala nanométrica, pero dentro de una misma nanopartícula; en otras palabras, implica la fabricación tridimensional sobre un objeto nanométrico. De hecho, es casi como decidir dónde hay que colocar átomo por átomo para obtener una estructura realmente complicada ".

Para hacer crecer estas nanopartículas, "las partículas cilíndricas están rodeadas de moléculas de jabón, por un tensioactivo. En medio de las moléculas de jabón ordinarias hemos colocado aditivos con quiralidad molecular, de modo que la interacción supramolecular hace que se organicen en la superficie de la varilla metálica con una estructura casi helicoidal, a su vez guiando el crecimiento del metal con esa misma estructura que le da la quiralidad que buscamos. Como resultado, prácticamente podemos obtener las mayores eficiencias jamás logradas en la detección espectrométrica con luz polarizada circularmente ".

Liz-Marzán confirmó que el proceso se puede generalizar a otro tipo de materiales:"Hemos visto que cuando se aplica la misma estrategia, Los átomos de platino se pueden depositar en nanobarras de oro con la misma estructura helicoidal. Se abre así un sinfín de posibilidades tanto en aplicaciones de sus propiedades ópticas como en otras en el campo de la catálisis (el platino es un catalizador muy eficaz). Al mismo tiempo, podría conducir a una gran mejora en la síntesis de moléculas quirales que serían de importancia biológica y terapéutica ". Este mecanismo también podría aplicarse a nuevas técnicas de imágenes biomédicas, para la fabricación de sensores, etc. "We believe that this work is going to open up many paths for other researchers precisely because of the generalization of the mechanism that can be used with many different molecules. A lot of work lies ahead, " él dijo.

The research was conducted and coordinated by CIC biomaGUNE, but they had the collaboration of research groups from other organizations. These include the Complutense University of Madrid (computer calculations showing the formation of the helicoidal structures when the two types of surfactants are blended), the University of Vigo and the University of Extremadura (theoretical calculations of the optical properties of the particles), and the University of Antwerp (obtaining of three-dimensional electron microscopy images and the animated reconstructions of the particles fabricated).

Mapping nano chirality in three dimensions

Essential to understanding the behavior of these complex nanoparticle assemblies is to intimately understand their structure. When handling such intricate three-dimensional morphologies, imaging in two dimensions simply will not do. The EMAT team lead by Prof. Sara Bals at the University of Antwerp is the world leading electron microscopy group for imaging nanoparticles in three dimensions. By taking a series of two-dimensional images collected at many viewing angles they can be combined with specially designed computer code to generate a three-dimensional representation of the particle. This is the so-called transmission electron tomography method, which is an essential tool in nanoscience, helping researchers from around the world to visualize nanoparticles and understand their structure and how they are formed.

The EMAT team has gone one step further to understand the origin of the chiral properties these unprecedented nanorods display. By developing a method to study the three-dimensional periodicity of the individual particles using a 3-D Fast Fourier Transform on the tomography previously obtained, repetitive patterns have been discovered in the structure. "The nanoparticles appeared to show a long-range chiral structure, but how can we identify this in a meaningful way to understand the nanoparticle's properties?" asks Prof. Bals. By mapping the periodic structure using this technique, a characteristic X-shape appeared within the 3-D FFT pattern. Scientists have seen this characteristic fingerprint before; in the revolutionary X-ray diffraction experiment leading to the discovery of the most known chiral structure—our DNA.

Using that characteristic pattern as an input, regions in the reconstruction with helicoidal features were identified. Además, "Our developed technique not only allows us to identify a chiral structure, but can also tell us the chiral handedness of each individual nanoparticle, " says Prof. Bals.

The preparation and characterization of such complex chiral nanoparticles is an important step in reaching a key scientific milestone. It was once believed that the complexity of biological superstructures could not be artificially prepared. Sin embargo, with increasing understanding of nanostructure design and growth, scientists can prepare atom-by-atom designed materials that are tailor-made for a desired application, and in doing so—continuously push the frontier of material design.