Os pesquisadores trabalharam por muito tempo para enfrentar um grande desafio na ciência da síntese:projetar e sintetizar materiais funcionais bioinspirados que rivalizam com os encontrados na biologia. Se pudermos aprender como imitar funções in vivo de proteínas naturais, como biomoléculas (por exemplo, proteínas) e sais inorgânicos interagem para formar os dentes, ossos, ou minerais de casca - os pesquisadores podem ser capazes de aplicar a descoberta para produzir produtos altamente complexos, projetável, materiais híbridos para aplicações relacionadas à energia.

Em um artigo publicado recentemente em Nature Communications , Chun-Long Chen, um cientista de materiais do Pacific Northwest National Laboratory, descreveu como sua equipe multidisciplinar procurou compreender e aproveitar a funcionalidade complexa da matéria hierárquica e prever sua forma e função. A equipe projetou cuidadosamente os peptoides, tipos de moléculas sintéticas definidas por sequência, para controlar a formação de nanopartículas de ouro esféricas em forma de coral. Eles também procuraram entender como a molécula peptóide funciona durante a formação de partículas, como os peptóides interagem uns com os outros, e como eles se ligam à superfície do ouro. Pelo caminho, eles descobriram como esses estudos mecanísticos podem escrever as regras para projetar peptóides para a síntese preditiva de materiais.

"O processo foi fascinante, "disse Chen." Controlando a nucleação, cinética de crescimento, e a morfologia de materiais inorgânicos nanoestruturados com moléculas definidas por sequência para produzir intencionalmente essas nanoestruturas esféricas em forma de coral nos deram a confiança de que outras formas poderiam ser alcançadas usando métodos semelhantes. "

Seu trabalho levou a um feito importante na síntese de materiais:o desenvolvimento de uma regra prática para projetar peptóides que permitem a síntese preditiva de nanopartículas de ouro em forma de coral. Essas partículas de ouro individuais exibem um aumento plasmônico de até 10 ⁵ dobrar.

Embora os organismos naturais façam uma grande variedade de extraordinariamente complexos, nano-, micro-, e materiais funcionais em macroescala com alto rendimento de maneira eficiente em termos de energia e altamente reprodutível, tudo sob condições sintéticas aquosas bastante suaves, alcançar tal controle preciso sobre a morfologia das nanopartículas é um desafio. Ser capaz de fazer isso é importante para futuras aplicações tecnológicas de nanopartículas. O nível de controle e complexidade das nanoestruturas neste estudo em particular se destacam e, como Chen observa, nos empurra para mais perto do preditivo, bioinspirado, síntese de materiais.

A equipe baseada em peptóides, abordagem biomimétrica gera complexidade, nanomateriais funcionais sob condições sintéticas aquosas suaves; pesquisadores que estudam a síntese de materiais híbridos para aplicações relacionadas à energia (por exemplo, energia solar ou aplicações de bateria) provavelmente os considerariam de interesse.

Alcançar a síntese previsível de nanomateriais inorgânicos é um desafio de longa data. Se os cientistas puderem desenvolver as regras para controlar com precisão a morfologia dos materiais - como a Natureza faz durante a formação biomineral - eles podem usar essas abordagens bioinspiradas para produzir produtos altamente complexos, projetável, materiais híbridos de forma racional ou até previsível para aplicações relacionadas à energia.

No passado, muitos pesquisadores usaram biomoléculas - particularmente proteínas e peptídeos - para desenvolver maneiras de controlar a formação de nanomateriais, mas as regras para projetar moléculas que levam à formação de materiais com morfologias previsíveis ainda são desconhecidas. Neste estudo, Chen e sua equipe decidiram usar peptoides para controlar a formação de nanomateriais de ouro. Eles usaram especificamente peptóides (em vez de proteínas e peptídeos) por três razões:os peptóides não têm a complexidade intrínseca causada pelo dobramento da espinha dorsal, peptoides têm variações semelhantes ou ainda maiores de cadeias laterais, e os peptóides têm maior estabilidade química e térmica.

A equipe imaginou que o alto conteúdo de informação das moléculas peptóides lhes daria controle sobre a formação de materiais e revelaria as regras por trás do processo de formação.

"O sucesso desta pesquisa é um belo exemplo de trabalho em equipe, "disse Chen.

O papel da equipe, publicado em Nature Communications como "Síntese controlada de nanopartículas de ouro plasmônico altamente ramificado por meio de engenharia de peptóide, "descreve esse trabalho em equipe em detalhes. As etapas incluíram projetar e sintetizar peptóides com modificações racionais de suas químicas; usando microscopia eletrônica de transmissão de célula de fluido de última geração (TEM) para observar como as partículas se formam, anexar, e se fundem em grupos de nanobastões em tempo real; usando simulações de dinâmica molecular para mostrar como moléculas peptóides com químicas variáveis ​​interagem com ouro; e usando espectrometria de massa de íons secundários de tempo de voo e técnicas de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X para confirmar experimentalmente as previsões computacionais.

Por meio desses estudos mecanísticos, a equipe obteve uma compreensão clara da formação de nanopartículas de ouro em forma de coral controlada por peptóides. Isso os ajudou a desenvolver uma regra prática para projetar peptóides que possibilitou de forma preditiva a evolução morfológica de nanopartículas esféricas para em forma de coral. A equipe também descobriu que as nanopartículas de ouro individuais em forma de coral exibiam um aumento plasmônico de até 105 vezes, e eles foram capazes de expandir esta abordagem baseada em peptóides para a síntese controlada de outras nanopartículas em forma de coral, destacando sua ampla utilidade.

Alcançar um alto nível de regulação sobre a morfologia - visto quando a formação biomineral é controlada por proteínas e peptídeos - ainda é um desafio significativo e as regras que regem a formação bio-controlada de nanomateriais permanecem desconhecidas. Com base no seu sucesso, discernindo as regras para fazer nanopartículas em forma de coral, Chen e sua equipe têm novas formas em mente. Eles estão atualmente trabalhando para alcançar uma compreensão semelhante da formação controlada por peptóide de outras morfologias, incluindo nanopartículas de ouro em forma de estrela de cinco pontas e montagens de nanopartículas de prata em forma de folha. Ele espera que essa abordagem baseada em peptóides possa levar à criação de uma ampla gama de morfologias complexas e, eventualmente, será útil para o desenvolvimento de uma síntese preditiva de nanomateriais que têm morfologias complexas e funções programáveis.