Pesquisadores do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia (PNNL) e da Universidade de Washington (UW) projetaram com sucesso uma molécula bio-inspirada que pode direcionar átomos de ouro para formar estrelas perfeitas em nanoescala. O trabalho é um passo importante para entender e controlar a forma de nanopartículas metálicas e criar materiais avançados com propriedades ajustáveis.
Os nanomateriais metálicos têm propriedades ópticas interessantes, chamadas propriedades plasmônicas, diz Chun-Long Chen, que é pesquisador sênior do PNNL, professor afiliado de engenharia química e química da UW e membro do corpo docente da UW-PNNL. Em particular, os nanomateriais metálicos em forma de estrela já são conhecidos por exibir melhorias únicas que são úteis para detecção e detecção de bactérias patogênicas, entre outras aplicações de segurança nacional e saúde.

Para criar essas nanopartículas impressionantes, a equipe ajustou cuidadosamente sequências de peptóides, um tipo de polímero sintético programável semelhante a uma proteína. "Os peptóides oferecem uma vantagem única na obtenção de controles de nível molecular", diz Chen. Nesse caso, os peptóides guiam pequenas partículas de ouro para se unirem e relaxarem para formar geminados de cinco vezes maiores, ao mesmo tempo em que estabilizam as facetas da estrutura cristalina. Sua abordagem foi inspirada na natureza, onde as proteínas podem controlar a criação de materiais com funcionalidades avançadas.

Jim De Yoreo e Biao Jin usaram microscopia eletrônica de transmissão in situ avançada (TEM) para "ver" a formação das estrelas em solução em nanoescala. A técnica forneceu uma compreensão mecanicista profunda de como os peptóides guiam o processo e revelou os papéis da fixação de partículas e estabilização de facetas no controle da forma. De Yoreo é um Battelle Fellow no PNNL e professor afiliado de ciência e engenharia de materiais na UW, e Jin é um associado de pesquisa de pós-doutorado no PNNL.

Tendo montado sua constelação em nanoescala, os pesquisadores então empregaram simulações de dinâmica molecular para capturar um nível de detalhe que não pode ser obtido de experimentos – e para esclarecer por que peptóides específicos controlavam a formação das estrelas perfeitas. Xin Qi, pesquisador de pós-doutorado em engenharia química no grupo do professor Jim Pfaendtner, liderou esse trabalho na UW. Qi usou o cluster de supercomputadores Hyak da UW para modelar fenômenos interfaciais entre vários peptóides e superfícies de partículas diferentes.

As simulações desempenham um papel crítico no aprendizado de como projetar nanomateriais plasmônicos que absorvem e dispersam a luz de maneiras únicas. “Você precisa ter uma compreensão em nível molecular para formar essa bela partícula em forma de estrela com propriedades plasmônicas interessantes”, disse Chen. As simulações podem construir o entendimento teórico sobre por que certos peptóides criam certas formas.

Os pesquisadores estão trabalhando em direção a um futuro em que as simulações orientam o design experimental, em um ciclo que a equipe espera que leve à síntese preditiva de nanomateriais com aprimoramentos plasmônicos desejados. Neste aspecto, eles gostariam de primeiro usar ferramentas computacionais para identificar cadeias laterais e sequências peptóides com seletividade de faceta desejada. Em seguida, eles empregariam técnicas de imagem in situ de última geração, como TEM de célula líquida, para monitorar a expressão direta de facetas, estabilização e fixação de partículas. Em outras palavras, Chen diz:"Se alguém pode nos dizer que uma estrutura de nanomateriais plasmônicos tem propriedades ópticas interessantes, podemos usar uma abordagem baseada em peptóides para fazer isso de maneira previsível?"

Embora não tenham chegado a esse ponto, esse trabalho experimental-computacional bem-sucedido certamente os aproxima. Além disso, a capacidade da equipe de sintetizar consistentemente belas formas de estrelas é um passo importante; partículas mais homogêneas se traduzem em propriedades ópticas mais previsíveis.

Este trabalho foi publicado recentemente na revista Angewandte Chemie . + Explorar mais

Nanopartículas em forma de coral construídas por design usando peptóides projetados