p Quando você traz uma caixa da loja de móveis para casa, você não espera os parafusos, ripas, e outras peças para convergir magicamente em uma cama ou mesa. No entanto, essa automontagem ocorre todos os dias na natureza. Nada diz aos átomos para se ligarem; nada diz ao DNA como se formar. Os materiais vivos contêm as próprias instruções e capacidade de se tornar um todo maior. p "A automontagem é o processo universal pelo qual estruturas muito complexas são montadas na natureza. Elas são dinâmicas, eles são multifuncionais, eles são adaptáveis, "disse Nick Kotov, um pesquisador da Universidade de Michigan.

p Desbloquear a automontagem pode nos permitir criar materiais que não existem naturalmente e que não podemos criar a nós mesmos atualmente.

p Usando a automontagem, os cientistas poderiam criar materiais personalizados que são versáteis como os sistemas biológicos e resistentes como os industriais. Esses materiais podem ser usados ​​em melhores purificadores de água, células solares mais eficientes, catalisadores mais rápidos que melhoram a fabricação, e eletrônicos de última geração. O uso da automontagem na fabricação também pode levar a processos mais baratos e eficientes.

p “Queremos fazer materiais sintéticos que rivalizem com o que vemos na natureza, "disse Ron Zuckermann, um pesquisador da Molecular Foundry, uma instalação de usuário do Office of Science do Departamento de Energia (DOE). "Os sistemas biológicos são muito sensíveis e frágeis. Queremos fazer materiais robustos de nível industrial que podem fazer as mesmas coisas [que eles fazem]."

p Mas os cientistas não podem criar coisas que combinem o melhor das características biológicas e sintéticas de qualquer substância. É provável que as nanopartículas sejam a chave. Quando os cientistas montam essas minúsculas partículas em folhas ou tubos, o produto final geralmente tem apenas um átomo de altura. Por causa de seu tamanho, as nanopartículas agem de maneira diferente do que grandes quantidades do mesmo material. Por exemplo, um pedaço de ouro não espalha a luz como um diamante. Mas as nanopartículas de ouro espalham a luz muito bem, tornando-os úteis em microscópios eletrônicos. Ao contrário dos materiais regulares, os cientistas podem controlar as características das nanopartículas mudando seu tamanho e forma.

p Agora mesmo, a indústria só pode usar um tipo de nanopartícula por vez. Isso é o que você vê em protetor solar e tecidos que usam nanopartículas. Contudo, para construir materiais personalizados, os cientistas precisam fazer com que vários tipos de nanopartículas interajam. Atualmente, a única maneira de fazer isso é construir esses materiais partícula por partícula. Este é um processo muito demorado.

p Para expandir as aplicações potenciais das nanopartículas, o Escritório de Ciência do Departamento de Energia está apoiando pesquisas para aproveitar a automontagem. Como as nanopartículas de metais ou semicondutores não se automontam da mesma forma que os sistemas vivos, os cientistas estão examinando suas diferenças e semelhanças.

p Construção Espontânea

p Alguns materiais, cientistas descobriram, irá se automontar se você colocá-los juntos em uma solução líquida. Eles se encaixam como por mágica. Mas cabe aos pesquisadores descobrir quais materiais e soluções misturar para dar as formas e características de que precisam.

p Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) do DOE descobriram uma família de polímeros sintéticos que formam nanotubos ocos quando você os coloca na água. Os nanotubos podem melhorar os catalisadores, transportar outra nanotecnologia, e mover os antibióticos pelo corpo. Essa descoberta também pode levar à produção de nanoestruturas que realizam o grande número de funções que as proteínas desempenham, mas são mais resistentes e duram mais do que as proteínas.

p "Estou muito animado com a capacidade de fazer materiais que imitam proteínas, "disse Zuckermann.

p Esses nanotubos têm duas vantagens principais em relação aos anteriores. Os cientistas poderiam manipulá-los para terem comprimento e diâmetro consistentes. Isso é essencial para a construção de estruturas maiores com aplicações mais práticas. Os tubos ocos também se formaram de uma maneira que os torna menos propensos a colapsar em um cilindro sólido.

p Um esforço semelhante na Universidade de Michigan encontrou uma forma de sulfeto de cádmio, que é usado para fazer painéis solares, que se auto-monta em conchas em água que é moderadamente básica. Os sistemas vivos usam nanoconchas para funções essenciais, como controlar a localização de reações químicas. As conchas sintéticas, que tem cerca de metade do diâmetro de um vírus, pode ser usado em terapia genética. Os pesquisadores da Universidade de Michigan modelaram as cápsulas nas instalações do usuário do Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética Nacional do DOE Office of Science antes de criá-las no laboratório.

p DNA e diamantes minúsculos:os menores guias imagináveis

p Infelizmente, a automontagem espontânea depende muito das características das partículas. Use partículas diferentes, e a automontagem formará estruturas diferentes ou não ocorrerá.

p Mas os pesquisadores estão procurando uma abordagem diferente que funcionará independentemente do tipo de partícula que usem. Com este método, os cientistas anexam um material que quer se automontar a um nanomaterial diferente que não quer. Os materiais que se querem montar funcionam como tiras de velcro usadas para pendurar quadros. Normalmente, as fotos e a parede não grudariam. Mas, aplicando uma tira de velcro em cada um e empurrando-os, eles travam no lugar. Com este método, os cientistas poderiam conectar qualquer tipo de nanopartículas e fazê-lo da forma que desejassem.

p O DNA é uma das formas mais promissoras desse nano-velcro. Cientistas do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Laboratório Nacional de Brookhaven, estão investigando este método.

p "Usando DNA, podemos instruir as partículas como se conectar umas às outras, "disse Oleg Gang, pesquisador do CFN e professor da Columbia University. Quando os cientistas anexam DNA sintético às nanopartículas, as fitas de DNA se emparelham da mesma maneira que em todos os seres vivos, trazendo as nanopartículas junto.

p "É uma ferramenta 'inteligente', "disse Fang Lu, pesquisador do CFN. "Podemos projetar que tipo de ligação é atraente, que tipo de ligação é repulsiva. "

p Em um estudo de 2015, os cientistas usaram o DNA para conectar diferentes tipos de formas de nanopartículas. Embora as esferas normalmente se prendam apenas a outras esferas, usar DNA permitiu que eles também se conectassem com blocos.

p Depois disso, os pesquisadores passaram a criar quadros 3-D a partir do DNA. Este estudo levou o que eles aprenderam sobre conectar diferentes formas para o próximo nível. Primeiro, os cientistas colocaram uma nanopartícula com alguns DNA de fita simples pendurados em cada canto de uma estrutura de DNA sintético. Esses fios conectavam as partículas, reunindo as partículas e quadros para formar objetos tridimensionais. Ao conectar quadros que tinham uma variedade de formas - cubos, octaedros, e tetraedros - os cientistas podem formar diferentes arquiteturas 3-D. Este método pode levar a materiais que a indústria pode usar para manipular a luz, tornando as reações químicas mais rápidas, e influenciando processos biológicos.

p Agora, os cientistas estão usando esses quadros para construir nanoforma 3-D personalizadas. Até aqui, eles foram capazes de projetar ziguezagues, figuras adesivas, e outros designs. Ao colar uma nanopartícula de ouro no meio de cada quadro, eles até criaram uma estrutura de cristal semelhante à vista em diamantes. Os cientistas esperam que, mudando as configurações e adicionando novos tipos de partículas, eles podem extrair ainda mais características.

p No SLAC National Accelerator Laboratory do DOE, os próprios pesquisadores estão usando diamantes minúsculos. Eles descobriram como auto-montar "diamonóides" nos menores nanofios já feitos que ainda são estáveis ​​o suficiente para atender às necessidades dos cientistas. Ao contrário de nanofios menores, os cientistas podem armazenar os diamonóides no ar sem que eles se decomponham ou dispersá-los em solventes sem alterar sua estrutura.

p "A coisa realmente chocante foi que obtivemos esta bela seção transversal de três átomos de nanofios, "disse Nick Melosh, pesquisador do SLAC. Em comparação, os menores nanofios de carbono têm 10 átomos de largura.

p Para fazer esses nanofios, os cientistas anexaram um átomo de enxofre às partículas de diamante em escala molecular. Quando eles colocaram esta combinação em uma solução com íons de cobre, o enxofre agarrou-se ao cobre. Isso criou o bloco básico de construção do nanofio - uma gaiola diamonóide carregando átomos de cobre e enxofre. Os diamonóides nos blocos separados então se juntaram espontaneamente, puxando as outras nanopartículas. Isso formou o nanofio.

p O próximo grande desafio é usar a automontagem para projetar materiais que possam resolver problemas específicos, como capturar o tipo certo de luz para células solares, ou filtrando micróbios da água.

p "[Eu quero] desenvolver métodos para criar sistemas que você tenha em sua imaginação. E isso é muito, Muito inspirador, "disse Gang.