p Das antigas pirâmides aos edifícios modernos, várias estruturas tridimensionais (3-D) foram formadas embalando objetos em forma juntos. Na macroescala, a forma dos objetos é fixa e, portanto, dita como eles podem ser organizados. Por exemplo, tijolos fixados por argamassa mantêm sua forma retangular alongada. Mas em nanoescala, a forma dos objetos pode ser modificada até certo ponto quando eles são revestidos com moléculas orgânicas, como polímeros, surfactantes (agentes tensoativos), e DNA. Essas moléculas criam essencialmente uma casca "macia" em torno de outra forma "dura, "ou rígido, nanobjetos. Quando os nano-objetos se juntam, sua forma original pode não ser totalmente preservada porque a concha é flexível - um tipo de escultura em nanoescala. p Agora, uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven e Columbia Engineering do Departamento de Energia dos EUA (DOE) mostrou que nanopartículas em forma de cubo, ou nanocubos, revestidos com cadeias de DNA de fita simples se agrupam em um arranjo incomum em "zigue-zague" que nunca foi observado antes em nano ou macroescala. A descoberta foi relatada na edição online de 17 de maio da Avanços da Ciência .

p "Objetos em nanoescala quase sempre têm algum tipo de casca porque intencionalmente anexamos polímeros a eles durante a síntese para evitar a agregação, "explicou o co-autor Oleg Gang, líder do Soft and Bio Nanomaterials Group no Center for Functional Nanomaterials (CFN) - um DOE Office of Science User Facility no Brookhaven Lab - e professor de engenharia química e física aplicada e ciência dos materiais na Columbia University. "Neste estudo, exploramos como alterar a suavidade e a espessura das camadas de DNA (ou seja, o comprimento das cadeias de DNA) afeta o empacotamento de nanocubos de ouro. "

p Gang e os outros membros da equipe - Fang Lu e Kevin Yager do CFN; Yugang Zhang da Fonte Nacional de Luz Síncrotron II (NSLS-II), outro DOE Office of Science User Facility em Brookhaven; e Sanat Kumar, Thi Vo, e Alex Frenkel, do Departamento de Engenharia Química de Columbia, descobriram que os nanocubos cercados por finas cascas de DNA se compactam de maneira semelhante à esperada na macroescala, com os cubos dispostos em camadas organizadas orientadas diretamente umas sobre as outras. Mas este arranjo cúbico simples dá lugar a um tipo muito incomum de embalagem quando a espessura das cascas é aumentada (isto é, quando a casca fica "mais macia").

p "Cada nanocubo tem seis faces onde pode se conectar a outros cubos, "explicou Gang." Cubos que têm DNA complementar são atraídos um pelo outro, mas cubos com o mesmo DNA se repelem. Quando a casca do DNA se torna suficientemente macia (espessa), os cubos se organizam no que parece um padrão em ziguezague, que maximiza a atração e minimiza a repulsão, permanecendo embalado tão firmemente quanto possível.

p "Este tipo de embalagem nunca foi visto antes, e quebra a simetria orientacional dos cubos em relação aos vetores (direções do x, y, e eixos z no cristal) da célula unitária, "disse o primeiro autor Fang Lu, um cientista do grupo de Gang. "Ao contrário de todas as embalagens de cubos observadas anteriormente, o ângulo entre os cubos e esses três eixos não é o mesmo:dois ângulos são diferentes um do outro. "

p Uma célula unitária é a menor parte repetida de uma estrutura de cristal, que é uma matriz de pontos no espaço 3-D onde as nanopartículas estão posicionadas. Nanopartículas moldadas podem ser orientadas de forma diferente em relação umas às outras dentro da célula unitária, como por seus rostos, arestas, ou cantos. O empacotamento em zigue-zague que os cientistas observaram neste estudo é um tipo de compromisso em nanoescala em que nenhuma das orientações relativas "vence". Em vez de, os cubos encontram o melhor arranjo para coexistir em uma rede ordenada com base em se eles têm o mesmo DNA ou DNA complementar (ou seja, repelindo ou atraindo uns aos outros de acordo).

p Nesse caso, dois tipos de rede diferentes podem ocorrer:cúbica centrada no corpo (BCC) e tetragonal centrada no corpo (BCT). Ambos BCC e BCT têm posicionamentos semelhantes de partículas no centro e nos cantos dos cubos, mas o BCC tem lados de célula unitária de igual comprimento, enquanto o BCT não.

p Para visualizar a forma dos cubos e seu comportamento de embalagem, os cientistas usaram uma combinação de microscopia eletrônica no CFN e espalhamento de raios-X de pequeno ângulo (SAXS) na antiga linha de luz X9 do NSLS e a linha de luz de espalhamento de materiais complexos do NSLS-II. Os estudos de microscopia eletrônica exigem que os materiais sejam retirados da solução, mas SAXS pode ser conduzido in situ para fornecer informações estruturais mais detalhadas e precisas. Neste estudo, os dados de espalhamento foram úteis para revelar as simetrias, distâncias entre partículas, e orientações de partículas nas estruturas de nanocubos 3-D. Cálculos teóricos realizados pelo Grupo Kumar em Columbia confirmaram que o arranjo em zigue-zague é possível e racionalizaram por que esse tipo de empacotamento estava acontecendo com base nas propriedades das cascas de DNA.

p A equipe agora está ansiosa para determinar se os nanoobjetos de casca mole que não são cubos ou têm mais de uma forma também se agrupam de maneiras inesperadas.

p "Uma compreensão da interação entre nanoobjetos moldados e conchas macias nos permitirá direcionar a organização de objetos em estruturas particulares com a ótica desejada, mecânico, e outras propriedades, "disse Kumar.