Método bioinspirado para crear estrellas doradas a nanoescala

Método bioinspirado para crear estrellas doradas a nanoescala


Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía y la Universidad de Washington (UW) han logrado construir una molécula inspirada en la naturaleza que puede convencer a los átomos de oro para formar estrellas impecables a nanoescala.

Los científicos desarrollan un método bioinspirado para producir estrellas de oro a nanoescala.
Formación dirigida por peptoide de nanoestrellas de oro penta-hermanas a través de la unión de partículas y la estabilización de facetas. Crédito de la foto: Dra. Biao Jin y otros (2022)

El estudio es un paso importante hacia la comprensión y la regulación de la forma de las nanopartículas metálicas y el desarrollo de materiales innovadores con propiedades ajustables.

Los nanomateriales metálicos poseen interesantes propiedades ópticas conocidas como propiedades plasmónicas, dice Chun-Long Chen, científico investigador sénior en PNNL, profesor asociado de ingeniería química y química de la UW y miembro de la facultad de UW-PNNL.

Se dice que los nanomateriales metálicos en forma de estrella en particular ya muestran mejoras exclusivas que son beneficiosas para la detección y el descubrimiento de bacterias patógenas, entre otras aplicaciones para la salud y la seguridad nacional.

Para formar estas notables nanopartículas, los investigadores combinaron cuidadosamente secuencias de peptoides, un tipo de polímero artificial personalizable similar a una proteína.

Los peptoides ofrecen una ventaja única para lograr el control a nivel molecular.

Chun-Long Chen, investigador científico principal y miembro de la facultad, UW-PNNL

En este caso, los peptoides dirigen pequeñas partículas de oro para que se unan y se relajen para desarrollar gemelos quíntuples más grandes mientras estabilizan simultáneamente las facetas de la estructura cristalina. Su método se inspiró en la naturaleza, donde las proteínas pueden regular la formación de materiales con funcionalidades innovadoras.

Jim De Yoreo y Biao Jin utilizaron microscopía electrónica de transmisión (TEM) in situ de última generación para «observar» la formación de las estrellas en solución a escala nanométrica. La técnica no solo proporcionó una comprensión mecánica integral de cómo los peptoides dirigen el proceso, sino que también reveló el papel de la estabilización de facetas y la unión de partículas en la regulación de la forma.

De Yoreo es miembro de Battelle en PNNL y profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en UW, y Jin es miembro posdoctoral en PNNL.

Después de que los científicos ensamblaron su constelación a escala nanométrica, utilizaron simulaciones de dinámica molecular para capturar un nivel de detalle que no se puede derivar de los experimentos, y para demostrar por qué los peptoides específicos regularon la formación de las estrellas impecables.

Xin Qi, becario postdoctoral en ingeniería química en el grupo del profesor Jim Pfaendtner, dirigió este estudio en la UW. Qi usó el grupo de supercomputadoras Hyak de UW para modelar ocurrencias interfaciales entre muchas superficies de partículas y peptoides diferentes.

Las simulaciones juegan un papel importante en el aprendizaje de cómo diseñar nanomateriales plasmónicos que capturan y dispersan la luz de diferentes maneras.

Necesita tener una comprensión a nivel molecular para formar esta hermosa partícula en forma de estrella con interesantes propiedades plasmónicas.

Chun-Long Chen, investigador científico principal y miembro de la facultad, UW-PNNL

Las simulaciones pueden desarrollar la comprensión teórica de por qué ciertos peptoides forman ciertas formas.

Los científicos esperan ayudar a crear un futuro en el que las simulaciones guíen el diseño experimental, en un ciclo que el equipo espera que conduzca a la producción predictiva de nanomateriales con mejoras plasmónicas favorecidas. De esta manera, se esfuerzan por utilizar herramientas computacionales para reconocer cadenas laterales peptoides y secuencias con selectividad de faceta preferencial.

A continuación, utilizarían métodos avanzados de obtención de imágenes in situ, como TEM de células líquidas, para seguir la expresión directa de facetas, la estabilización y la unión de partículas.

Si alguien puede decirnos que una estructura de nanomaterial plasmónico tiene propiedades ópticas interesantes, ¿podemos usar un enfoque basado en peptoide para hacer eso predecible?

Chun-Long Chen, investigador científico principal y miembro de la facultad, UW-PNNL

Aunque todavía no están allí, esta fructífera investigación experimental-computacional está ayudando a acercarlos a esa realidad. Además, la capacidad del equipo para crear de manera confiable formas de estrellas perfectas es un paso crítico; partículas más homogéneas podrían significar propiedades ópticas más predecibles.

Este estudio publicado recientemente en la revista quimica APLICADAcomenzó en 2019 con una subvención del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. para crear pautas de diseño para peptoides que crean nanomateriales modificables.

Surgió como resultado de las crecientes asociaciones entre UW y PNNL en el campo de la síntesis de materiales, incluido el Instituto de Física, Química y Tecnología de Materiales del Noroeste (NW IMPACT) y las iniciativas de colaboración de Síntesis de materiales y simulaciones a través de escalas (MS3); e investigación financiada por el DOE a través del Center for the Science of Synthesis Across Scales (CSSAS). Estas asociaciones se benefician enormemente del programa de doble nombramiento de las instituciones.

Referencia de la revista:

jin b y otros. (2022) Formación dirigida por peptoide de nanoestrellas de Au penta-gemelos mediante unión de partículas y estabilización de facetas. quimica APLICADA. doi.org/10.1002/anie.202201980.

Fuente: https://www.washington.edu

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