Nova classe de materiais esponjosos pode se automontar em estruturas controláveis com precisão
Série de instantâneos de automontagem simulada de nanoestruturas de sela programáveis e de fechamento de tamanho. Crédito:Anais da Academia Nacional de Ciências (2024). DOI:10.1073/pnas.2315648121 Uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade de Massachusetts Amherst inspirou-se em uma ampla variedade de motivos geométricos naturais - incluindo os de dados de 12 lados e batatas fritas - para estender um conjunto de princípios de design bem conhecidos a um ambiente totalmente novo. classe de materiais esponjosos que podem se automontar em estruturas precisamente controláveis.
Sua teoria e modelo computacional, publicados no Proceedings of the National Academy of Sciences , permite a máxima economia de projeto ou a maior estrutura possível usando o menor número de peças programáveis e automontáveis.
Um dos objetivos primordiais da ciência dos materiais é emular a capacidade da natureza de formar materiais robustos e complexos que se automontam e que podem então criar estruturas capazes de uma ampla gama de funções. Pense nas nanoestruturas cristalinas que se formam nas asas de uma borboleta e cuja forma e tamanho precisos determinam exatamente quais comprimentos de onda de luz refletir, dando a diferentes espécies suas marcas distintas.
“Fomos inspirados pela automontagem de vírus”, diz Greg Grason, professor de ciência de polímeros na UMass Amherst e autor sênior do artigo.
"Embora alguns vírus possam representar riscos do ponto de vista da saúde, eles têm um design incrível de 'fechamento automático'. Muitos têm uma concha esférica rígida e altamente simétrica, e essa concha é construída com o menor número possível de arranjos de proteínas. A casca é também do tamanho certo – qualquer tamanho maior não seria capaz de infectar seu hospedeiro menor e o vírus não seria poderoso o suficiente. Queremos ser capazes de criar materiais que possam se automontar economicamente no vírus. forma perfeita, assim como os vírus - exceto que queremos projetar tipos de geometrias totalmente diferentes."
Grason e sua equipe, incluindo colegas das universidades Brandeis e Syracuse, bem como os co-autores Carlos M. Duque e Douglas M. Hall, que concluíram esta pesquisa como parte de seus estudos de pós-graduação na UMass Amherst, dificilmente são os primeiros para ser inspirado por vírus.
Na década de 1960, uma dupla de biólogos estruturais chamados Donald Caspar e o ganhador do Prêmio Nobel Aaron Klug, inspirados nas famosas cúpulas geodésicas de Buckminster Fuller, perceberam que a estrutura de suas cúpulas também descrevia conchas de vírus. Eles derivaram um conjunto de princípios de projeto, chamados de princípios de simetria Caspar-Klug, que descrevem como construir uma estrutura envolvendo o maior volume possível com o menor número de blocos de construção.
"Inspirados na beleza e elegância da construção Caspar-Klug para conchas virais icosaédricas, desenvolvemos um roteiro para encontrar regras de design econômicas que possam nos ajudar a projetar uma ampla gama de nanoestruturas muito úteis", diz Duque.
No entanto, o princípio de simetria de Caspar-Klug descreve apenas estruturas com curvaturas positivas, ou formas, como uma cúpula, que se curvam para dentro em todas as direções.
“Nós nos perguntamos o que aconteceria se você invertesse a curvatura para que as curvas corressem em direções opostas umas das outras, como uma batata frita Pringles”, diz Grason.
"Que tipos de geometrias de fechamento automático poderiam se formar com curvatura negativa e poderiam preservar a economia da montagem Caspar-Klug?"
Estruturas com este tipo de curvatura negativa possuem uma estrutura esponjosa construída a partir de furos e tubos interligados e estão, de fato, intimamente relacionadas às nanoestruturas fotônicas formadas nas escamas das asas das borboletas.
Para responder às suas perguntas, Grason e os seus co-autores conceberam um modelo computacional, que mostrou que estruturas com uma curvatura negativa triplamente periódica poderiam de facto preservar a economia de montagem que Caspar e Klug observaram em vírus esféricos.
"Somos capazes de estender a economia das formas com curvatura positiva para um conjunto muito mais complexo de estruturas que podem ser realizadas através da montagem de blocos de construção 'programáveis' que podem ser feitos usando as abordagens da nanotecnologia de DNA, ou design de proteína de novo ", diz Grasson.
“Nosso trabalho modela o processo de montagem”, diz Hall.
"Primeiro, alguns blocos de construção se unem para formar um remendo curvado negativamente, como uma batata frita com bordas ásperas. À medida que o remendo cresce, a superfície se fecha e forma canais que se estendem em todas as três dimensões. O conjunto altamente regular de canais é o que permite novos materiais potenciais com cores brilhantes ou a capacidade de atenuar sons."
