Em artigo publicado na Science 18 de janeiro, os cientistas Chad Mirkin e Sharon Glotzer e suas equipes da Universidade Northwestern e da Universidade de Michigan, respectivamente, apresentam descobertas em nanotecnologia que podem impactar a forma como os materiais avançados são feitos.



O artigo descreve um salto significativo na montagem de nanopartículas poliédricas. Os pesquisadores apresentam e demonstram o poder de uma nova estratégia sintética que expande as possibilidades no design de metamateriais. Esses são os materiais incomuns que sustentam as “mantas de invisibilidade” e os sistemas de computação óptica de altíssima velocidade.

"Manipulamos materiais em macroescala na vida cotidiana usando nossas mãos", disse Mirkin, professor de química George B. Rathmann na Faculdade de Artes e Ciências Weinberg.

"Mesmo crianças em idade pré-escolar podem manipular facilmente blocos de construção de brinquedos, encaixando-os perfeitamente para preencher o espaço. Na nanoescala, não podemos usar nossas mãos para manipular blocos de construção de nanopartículas devido à grande diferença de tamanho entre nossas mãos e as nanopartículas.

"Como o DNA e as nanopartículas têm dimensões na mesma escala de comprimento e podemos codificar quimicamente as partículas com o DNA, para que possam ser projetadas para reconhecer partículas complementares e, portanto, o DNA efetivamente se torna nossas mãos."

Essas “mãos” são projetadas para reconhecer partículas com formas complementares e organizá-las para formar estruturas que preencham o espaço.

Um novo método para produzir cristais de nanopartículas úteis

As abordagens convencionais para a engenharia de cristais de nanopartículas usando DNA como elemento de ligação ainda não levaram a arranjos tridimensionais (3D) de ladrilhos preenchidos com espaço. Para obter esses cristais úteis cheios de espaço, os pesquisadores da Northwestern empregaram ligantes moleculares mais curtos e flexíveis do que os normalmente usados. Especificamente, eles empregaram DNA modificado com oligoetilenoglicol.

As unidades de oligoetilenoglicol atuam como um tipo de amortecedor que se ajusta ao comprimento apropriado para garantir que as formas possam se encaixar de maneira quase perfeita.

Até agora, este novo material de construção levou à síntese de 10 novos cristais coloidais que não seriam possíveis de preparar de outra forma e que têm potencial para serem utilizados na concepção e construção de metamateriais com propriedades sem precedentes.

Deixando as cores verdadeiras brilharem

As nanopartículas são inerentemente imperfeitas – mesmo as individuais produzidas no mesmo lote sintético têm tamanhos e formas ligeiramente diferentes – e esta característica pode limitar a sua capacidade de preencher eficientemente o espaço quando são montadas. Além disso, as cadeias de DNA tradicionalmente utilizadas na montagem são quase tão longas ou mais longas que o diâmetro das partículas e, portanto, mascararam algumas contribuições cruciais da geometria das partículas na ligação. O resultado:descobriu-se que partículas com facetas bem definidas se comportam como aquelas que são menos complexas geometricamente.

A equipe superou esses dois obstáculos desacoplando as contribuições do invólucro do ligante de DNA e do formato da nanopartícula. Na verdade, as cadeias de ADN são essenciais para o processo de montagem – são a “cola” que é manipulada para manter as partículas unidas. Mas os pesquisadores usaram fitas de DNA muito mais curtas e mais flexíveis.

O DNA curto permite que a complementaridade de forma das nanopartículas seja revelada e então refletida no produto montado. O DNA flexível fornece o espaço de manobra necessário para acomodar pequenas imperfeições no tamanho e formato das nanopartículas poliédricas.

Essa margem de manobra permite que nanopartículas com formatos imperfeitos criem ladrilhos como aqueles com formatos perfeitos. Dessa forma, montagens altamente ordenadas foram formadas por meio do alinhamento faceta a face.

Dois pelo preço de um

"Ao dissociar as contribuições do invólucro do ligante de DNA e do formato do núcleo, desbloqueamos uma nova fronteira na nanotecnologia, permitindo a criação de cristais coloidais altamente ordenados com formas e tamanhos anteriormente considerados impossíveis de fabricar. Esta descoberta não apenas expande o escopo de cristais coloidais, mas também apresenta um kit de ferramentas versátil para projetar metamateriais", disse o ex-aluno do Grupo Mirkin, Wenjie Zhou, um dos principais autores do estudo.

Notavelmente, esta nova estratégia permite duas estratégias de design significativas. Em primeiro lugar, blocos de construção poliédricos imperfeitos ou com formatos totalmente diferentes podem ser montados em estruturas altamente ordenadas que preenchem o espaço. Em segundo lugar, o DNA flexível fornece graus adicionais de liberdade na montagem de nanopartículas poliédricas que não preenchem o espaço, levando à criação de cristais complexos com simetrias não alcançáveis ​​anteriormente com a engenharia de cristais coloidais com DNA.

Expandindo o espaço de design

A pesquisa demonstra a capacidade de projetar cristais coloidais grandes e que preenchem o espaço usando considerações geométricas simples. Os conjuntos apresentados representam apenas uma fração do vasto espaço de design desta estratégia revolucionária. Por causa disso, será importante combinar experimento e teoria para chegar a estruturas-alvo úteis.

"Aqui, o trabalho experimental foi confirmado por simulação in silico, e nosso trabalho teórico ofereceu novos insights sobre o que estava acontecendo ex silico", disse Glotzer, presidente do Departamento de Engenharia Química Anthony C Lembke.

"Usando uma combinação de ambos os modos de pesquisa e trabalhando juntos, nossos grupos aprenderam muito mais sobre o sistema do que jamais poderíamos aprender trabalhando de forma independente. É por isso que o trabalho interdisciplinar representa o melhor da ciência e da engenharia."

Em muitos aspectos, esses resultados foram inesperados. Mirkin diz:"Está longe de ser óbvio que se possa pegar dois sistemas altamente imperfeitos e projetar elementos de ligação de DNA que produzam cristais quase perfeitos cheios de espaço. É uma demonstração impressionante da utilidade do projeto da natureza para codificar o resultado de um material."

Mirkin e Glotzer são os co-autores correspondentes do artigo intitulado "Cristais coloidais de azulejos espaciais de emparelhamento de poliedros complementares de forma forçados por DNA."

Mais informações: Wenjie Zhou et al, Cristais coloidais de azulejos espaciais de emparelhamento de poliedros complementares de forma forçados por DNA, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj1021. www.science.org/doi/10.1126/science.adj1021
Informações do diário: Ciência

Fornecido pela Northwestern University