Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía y la Universidad de Washington (UW) han diseñado con éxito una molécula bioinspirada que puede dirigir átomos de oro para formar estrellas perfectas a nanoescala. El trabajo es un paso importante hacia la comprensión y el control de la forma de las nanopartículas metálicas y la creación de materiales avanzados con propiedades ajustables.

Los nanomateriales metálicos tienen propiedades ópticas interesantes, llamadas propiedades plasmónicas, dice Chun-Long Chen, científico investigador principal de PNNL, profesor afiliado de ingeniería química y química de la UW y miembro de la facultad de UW-PNNL. En particular, ya se sabe que los nanomateriales metálicos en forma de estrella exhiben mejoras únicas que son útiles para detectar y detectar bacterias patógenas, entre otras aplicaciones de salud y seguridad nacional.

Para crear estas sorprendentes nanopartículas, el equipo ajustó cuidadosamente secuencias de peptoides, un tipo de polímero sintético programable similar a una proteína. "Los peptoides ofrecen una ventaja única para lograr controles a nivel molecular", dice Chen. En este caso, los peptoides guían a las pequeñas partículas de oro para que se adhieran y se relajen para formar otras más grandes de cinco maclas, al mismo tiempo que estabilizan las facetas de la estructura cristalina. Su enfoque se inspiró en la naturaleza, donde las proteínas pueden controlar la creación de materiales con funcionalidades avanzadas.

Jim De Yoreo y Biao Jin utilizaron microscopía electrónica de transmisión (TEM) avanzada in situ para "ver" la formación de estrellas en solución a nanoescala. La técnica proporcionó una comprensión mecánica profunda de cómo los peptoides guían el proceso y reveló los roles de la unión de partículas y la estabilización de facetas en el control de la forma. De Yoreo es miembro de Battelle en PNNL y profesor afiliado de ciencia e ingeniería de materiales en UW, y Jin es investigador asociado posdoctoral en PNNL.

Después de ensamblar su constelación a nanoescala, los investigadores emplearon simulaciones de dinámica molecular para capturar un nivel de detalle que no se puede obtener de los experimentos, y para aclarar por qué los peptoides específicos controlaron la formación de las estrellas perfectas. Xin Qi, investigador postdoctoral en ingeniería química en el grupo del profesor Jim Pfaendtner, dirigió este trabajo en la UW. Qi usó el grupo de supercomputadoras Hyak de UW para modelar fenómenos interfaciales entre varios peptoides diferentes y superficies de partículas.

Las simulaciones juegan un papel fundamental en el aprendizaje de cómo diseñar nanomateriales plasmónicos que absorben y dispersan la luz de formas únicas. "Es necesario tener una comprensión a nivel molecular para formar esta agradable partícula en forma de estrella con interesantes propiedades plasmónicas", dijo Chen. Las simulaciones pueden desarrollar la comprensión teórica de por qué ciertos peptoides crean ciertas formas.

Los investigadores están trabajando hacia un futuro en el que las simulaciones guíen el diseño experimental, en un ciclo que el equipo espera que conduzca a la síntesis predictiva de nanomateriales con las mejoras plasmónicas deseadas. En este aspecto, les gustaría usar primero herramientas computacionales para identificar secuencias y cadenas laterales de peptoides con la selectividad de faceta deseada. Luego, emplearían técnicas de imagen in situ de última generación, como TEM de células líquidas, para monitorear la expresión directa de facetas, la estabilización y la unión de partículas. En otras palabras, Chen dice:"Si alguien puede decirnos que una estructura de nanomateriales plasmónicos tiene propiedades ópticas interesantes, ¿podemos usar un enfoque basado en peptoide para hacer eso de manera predecible?"

Aunque no han llegado a ese punto, este exitoso trabajo experimental y computacional ciertamente los acerca más. Además, la capacidad del equipo para sintetizar formas de estrellas agradables de manera consistente es un paso importante; las partículas más homogéneas se traducen en propiedades ópticas más predecibles.

Este trabajo fue publicado recientemente en la revista Angewandte Chemie . + Explora más

Nanopartículas en forma de coral construidas por diseño utilizando peptoides de ingeniería