p Liderado pelo professor Ikerbasque Luis Liz-Marzán, pesquisadores do Centro de Pesquisa Cooperativa em Biomateriais CIC biomaGUNE desenvolveram um mecanismo pelo qual átomos de ouro são depositados por meio de redução química em nanobastões de ouro previamente formados para produzir uma estrutura quase helicoidal (as partículas adquirem quiralidade). Essa geometria permite que esses "nano-parafusos" interajam com a luz polarizada circularmente com muito mais eficiência do que qualquer outro objeto conhecido. Essas propriedades podem levar à detecção de biomoléculas de uma forma muito seletiva e muito sensível. O que temos aqui é um versátil, mecanismo reprodutível que é escalonável para a fabricação de nanopartículas com forte atividade óptica quiral. Esta pesquisa foi publicada na prestigiosa revista científica Ciência . p Existem muitos campos nos quais a interação entre luz e material é usada para detectar substâncias. Basicamente, a luz brilha no material e é absorvida ou refletida de forma muito brilhante ou muito seletiva, dependendo do tamanho e geometria da partícula e do tipo de luz incidente. O grupo de pesquisa liderado por Luis Liz-Marzán, que atua na área conhecida como nanoplasmônica, usa nanopartículas de metais nobres, como ouro ou prata, "porque a luz interage de maneira especial com partículas deste tipo e tamanho, "explicou Liz-Marzán, Diretor Científico do CIC biomaGUNE. "Nesse caso, estudamos a interação entre essas nanopartículas de ouro quirais e a luz polarizada circularmente. "

p A luz normalmente não é polarizada, em outras palavras, as ondas se expandem em praticamente qualquer orientação dentro do feixe de luz. "Quando está polarizado, a onda só vai em uma direção; quando é circularmente polarizada, a onda gira, tanto no sentido horário quanto no anti-horário, "acrescentou o pesquisador." As substâncias quirais tendem a absorver a luz com uma polarização circular específica, em vez de luz polarizada na direção oposta. "

p A quiralidade é um fenômeno que ocorre em todas as escalas:um objeto quiral não pode ter sua imagem espelhada sobreposta a ele; por exemplo, uma mão é a imagem espelhada da outra, eles são idênticos, mas se um é sobreposto ao outro, a posição dos dedos não coincide. A mesma coisa ocorre "em algumas biomoléculas; e o fato de que uma molécula não pode ser sobreposta em sua imagem no espelho dá origem a muitos processos biológicos. Por exemplo, algumas doenças surgem devido à perda de reconhecimento de uma das duas formas da substância quiral que é responsável por uma ação específica, "disse Liz-Marzán.

p Fabricação tridimensional em um objeto nanométrico

p Como o professor Ikerbasque explicou, "o que fizemos foi procurar um mecanismo que oriente a deposição de átomos de ouro em nanopartículas fabricadas previamente em forma de bastão para que esses átomos sejam depositados de acordo com uma estrutura praticamente helicoidal, uma espécie de "nano-parafuso". Dessa forma, a própria partícula adquire uma geometria quiral. Essa nova estratégia é baseada em um mecanismo químico supramolecular, em outras palavras, em estruturas obtidas por meio de moléculas que se associam sem formar ligações químicas ”. Liz-Marzán afirma que“ isso realmente significa ser capaz de controlar a estrutura do material em escala nanométrica, mas dentro de uma mesma nanopartícula; em outras palavras, envolve a fabricação tridimensional em cima de um objeto nanométrico. Na verdade, é quase como decidir onde eles devem ser posicionados átomo por átomo para obter uma estrutura que seja realmente complicada. "

p Para fazer essas nanopartículas crescerem, "as partículas cilíndricas são rodeadas por moléculas de sabão, por um surfactante. No meio das moléculas de sabão comuns, colocamos aditivos com quiralidade molecular, de modo que a interação supramolecular faz com que eles se organizem na superfície da haste de metal com uma estrutura quase helicoidal, por sua vez, guiando o crescimento do metal com a mesma estrutura que lhe confere a quiralidade que buscamos. Como resultado, podemos praticamente obter as maiores eficiências já alcançadas em detecção espectrométrica com luz polarizada circularmente. "

p Liz-Marzán confirmou que o processo pode ser generalizado para outros tipos de materiais:“Vimos que quando se aplica a mesma estratégia, átomos de platina podem ser depositados em nanobastões de ouro com a mesma estrutura helicoidal. Assim, uma série de possibilidades é aberta tanto em aplicações de suas propriedades ópticas quanto em outras no campo da catálise (a platina é um catalisador muito eficiente). Ao mesmo tempo, poderia levar a uma grande melhoria na síntese de moléculas quirais que seriam de importância biológica e terapêutica. "Esse mecanismo também poderia ser aplicado a novas técnicas de imagem biomédica, for the manufacture of sensors, etc. "We believe that this work is going to open up many paths for other researchers precisely because of the generalization of the mechanism that can be used with many different molecules. A lot of work lies ahead, " ele disse.

p The research was conducted and coordinated by CIC biomaGUNE, but they had the collaboration of research groups from other organizations. These include the Complutense University of Madrid (computer calculations showing the formation of the helicoidal structures when the two types of surfactants are blended), the University of Vigo and the University of Extremadura (theoretical calculations of the optical properties of the particles), and the University of Antwerp (obtaining of three-dimensional electron microscopy images and the animated reconstructions of the particles fabricated).

p Mapping nano chirality in three dimensions

p Essential to understanding the behavior of these complex nanoparticle assemblies is to intimately understand their structure. When handling such intricate three-dimensional morphologies, imaging in two dimensions simply will not do. The EMAT team lead by Prof. Sara Bals at the University of Antwerp is the world leading electron microscopy group for imaging nanoparticles in three dimensions. By taking a series of two-dimensional images collected at many viewing angles they can be combined with specially designed computer code to generate a three-dimensional representation of the particle. This is the so-called transmission electron tomography method, which is an essential tool in nanoscience, helping researchers from around the world to visualize nanoparticles and understand their structure and how they are formed.

p The EMAT team has gone one step further to understand the origin of the chiral properties these unprecedented nanorods display. By developing a method to study the three-dimensional periodicity of the individual particles using a 3-D Fast Fourier Transform on the tomography previously obtained, repetitive patterns have been discovered in the structure. "The nanoparticles appeared to show a long-range chiral structure, but how can we identify this in a meaningful way to understand the nanoparticle's properties?" asks Prof. Bals. By mapping the periodic structure using this technique, a characteristic X-shape appeared within the 3-D FFT pattern. Scientists have seen this characteristic fingerprint before; in the revolutionary X-ray diffraction experiment leading to the discovery of the most known chiral structure—our DNA.

p Using that characteristic pattern as an input, regions in the reconstruction with helicoidal features were identified. Além disso, "Our developed technique not only allows us to identify a chiral structure, but can also tell us the chiral handedness of each individual nanoparticle, " says Prof. Bals.

p The preparation and characterization of such complex chiral nanoparticles is an important step in reaching a key scientific milestone. It was once believed that the complexity of biological superstructures could not be artificially prepared. Contudo, with increasing understanding of nanostructure design and growth, scientists can prepare atom-by-atom designed materials that are tailor-made for a desired application, and in doing so—continuously push the frontier of material design.