p (Phys.org) - Pela primeira vez, pesquisadores simularam partículas que podem se automontar espontaneamente em redes que formam arranjos geométricos chamados de telhas arquimedianas. A chave para perceber essas estruturas é uma estratégia chamada design positivo mínimo, em que a geometria e a seletividade química das partículas são levadas em consideração. O processo tem aplicações em automontagem molecular, que um dia poderia ser usado para construir uma variedade de tecnologias em nanoescala. p Stephen Whitelam, pesquisador da Molecular Foundry do Lawrence Berkeley National Laboratory, publicou um artigo sobre a estratégia de design positivo mínimo para a automontagem de telhas de Arquimedes em uma edição recente da Cartas de revisão física .

p Anteriormente, pesquisadores conseguiram auto-montar partículas em ladrilhos platônicos, que são arranjos mais simples que consistem em matrizes periódicas regulares de uma única forma, como quadrados, triângulos, ou hexágonos. Para fazer isso, pesquisadores usam uma estratégia chamada design positivo, em que a estrutura desejada é promovida com base na geometria da partícula. Quando as partículas são combinadas e resfriadas, eles se auto-montam espontaneamente em ladrilhos platônicos devido a uma variedade de produtos químicos subjacentes, fisica, e interações termodinâmicas.

p Partículas de automontagem no arranjo mais simples seguinte, Telhas de Arquimedes, é muito mais difícil. As telhas arquimedianas são compostas de duas ou três formas diferentes, e apenas um tipo de vértice (então, se você ampliou os pontos de interseção, eles seriam todos iguais, tendo os mesmos ângulos na mesma ordem). Existem oito tipos de telhas arquimedianas, e a nova estratégia de design pode construir todos os oito.

p O aspecto inovador da nova estratégia de design é o elemento "mínimo", que se refere à seletividade química. Whitelam descobriu que se você identificar todas as interações interpartículas envolvidas em um arranjo desejado, e, em seguida, selecione partículas com apenas essas interações e nenhuma outra, então, sob um protocolo de resfriamento simples, as partículas se auto-montarão na estrutura desejada. O aspecto "positivo" da estratégia é que ela funciona promovendo a estrutura desejada, e não requer a supressão de todas as muitas estruturas indesejáveis ​​possíveis.

p As simulações também mostraram que, se a seletividade química não for considerada, então as partículas não se auto-montam nas telhas de Arquimedes, mostrando que a seletividade química é crítica para a realização dessas estruturas.

p "Os resultados mostram que você precisa de 'especificidade química' de interações para se automontar estruturas regulares, "Whitelam disse Phys.org . "Eu queria escrever um artigo sobre a quantidade de 'informações' que você precisa 'programar' em uma partícula para permitir que ela se auto-monte, na presença de muitas cópias de si mesmo, em uma estrutura desejada.

p "A maneira mais simples de colocar um avião lado a lado é cobri-lo com triângulos, ou com quadrados, ou com hexágonos. Esses padrões são chamados de telhas platônicas ou regulares de Arquimedes. Outros autores mostraram que partículas com certas propriedades geométricas - com manchas pegajosas em certos ângulos - podem formar espontaneamente as redes que são equivalentes a essas camadas, o que significa que se você desenhar linhas entre os centros de partículas, então a imagem que você obtém parece um ladrilho.

p "A próxima maneira mais simples de cobrir uma superfície é com combinações de dois ou três polígonos regulares, e esses padrões são chamados de telhas arquimedianas semirregulares (geralmente apenas telhas arquimedianas). Outros pesquisadores usaram simulações para mostrar que partículas com a geometria correta sozinhas provavelmente não podem se automontar em tais estruturas. Meu trabalho confirma este fato, mas mostra que o que funciona é se as interações das partículas forem quimicamente específicas, o que significa que os patches pegajosos aderem apenas a alguns outros patches pegajosos. Desta maneira, partículas evitam cometer muitos erros de ligação, e conseguem encontrar o caminho para a estrutura correta. "

p Interessantemente, a seletividade química também é usada para controlar as interações interpartículas entre as partículas biológicas, como proteínas e DNA.

p "One aspect of this result is already widely known:researchers who use DNA nanotechnology routinely use DNA-mediated chemically specific interactions to make structures as complex or more complex than the Archimedean tilings, " Whitelam said. "What surprised me is 1) that you need this strategy even for the Archimedean tilings (among the most simple regular structures), and 2) that all you need is this strategy (that is, chemical specificity is both 'necessary and sufficient'). I wanted to emphasize this fact because it did not seem obvious to me that one should need chemical specificity to make the networks equivalent to the Archimedean tilings."

p Whitelam expects that the minimal positive design strategy should also work for self-assembling particles into other types of arrangements besides Archimedean tilings. The ability to self-assemble particles into various patterns could provide a tool for fabricating future nanoscale devices.

p "Researchers would like to be able to control the patterns of molecules on surfaces for several reasons, " Whitelam said. "One is that if you can control what sits on a surface and how it is organized then you can influence the chemical and physical properties of the surface. Another is that networks in two dimensions can be used to 'host, ' or position, other molecules:imagine putting particles (such as metal nanoparticles, potentially useful in next-generation electronics devices) in the pores of the networks. It is important to be able to control the relative positions of such particles; being able to assemble any of the Archimedean tilings, or indeed any network you desired, would be a good way of doing this."

p No futuro, Whitelam plans to work with other scientists who come to The Molecular Foundry at Berkeley Lab, which is a US Department of Energy User Facility for nanoscience.

p "My aim is to build on this work in order to collaborate with Foundry Users—scientists who come to the Foundry to do collaborative nanoscience—who make DNA-linked particles, " he said. "We would like to work out how to design such particles in order to make new nanostructures 'to order.' p © 2016 Phys.org