Samling af nanopartikler forløber som en lynlås

Det har altid været materialevidenskabens hellige gral at beskrive og kontrollere materialets struktur-funktionsforhold. Nanopartikler er en attraktiv klasse af komponenter, der skal bruges i funktionelle materialer, fordi de udviser størrelsesafhængige egenskaber, såsom superparamagnetisme og plasmonisk absorption af lys. Desuden, styring af arrangementet af nanopartikler kan resultere i uforudsete egenskaber, men sådanne undersøgelser er svære at udføre på grund af begrænsede effektive tilgange til at producere veldefinerede tredimensionelle nanostrukturer.

Ifølge forskere fra Biohybrid Materials Group, ledet af prof. Mauri Kostiainen, naturens egne ladede nanopartikler – proteinbure og vira – kan bruges til at bestemme strukturen af ​​sammensatte nanomaterialer.

Virus og proteiner er ideelle modelpartikler til brug i materialevidenskab, da de er genetisk kodet og har en atomisk præcis struktur. Disse veldefinerede biologiske partikler kan bruges til at styre arrangementet af andre nanopartikler i en vandig opløsning. I nærværende undersøgelse, forskerne viser, at en kontrolleret kombination af native Tobacco Mosaic Virus med guldnanopartikler fører til metal-protein supergitteretråde.

"Vi studerede oprindeligt geometriske aspekter af nanopartikel-supergitterkonstruktion. Vi antog, at størrelsesforholdet mellem modsat ladede nanorods (TMV-vira) og nanosfærer (guld-nanopartikler) effektivt kunne bruges til at kontrollere den todimensionelle supergittergeometri. Vi var faktisk i stand til at demonstrer dette. Endnu mere interessant, vores strukturelle karakterisering afslørede detaljer om de kooperative samlingsmekanismer, der forløber på en lynlåslignende måde, fører til supergitteretråde med højt billedformat, " siger Kostiainen. "At kontrollere den makroskopiske vane med selvsamlede nanomaterialer er langt fra trivielt, " tilføjer han.

Supergitter-tråde har potentiale til at danne nye materialer

Resultaterne viste, at nanoskala-interaktioner virkelig styrer den makroskopiske vane af de dannede supergitteretråde. Forskerne observerede, at de dannede makroskopiske ledninger gennemgår et højrehåndet spiralformet snoning, der blev forklaret af den elektrostatiske tiltrækning mellem den asymmetrisk mønstrede TMV-virus og de modsat ladede sfæriske nanopartikler. Da plasmoniske nanostrukturer effektivt påvirker udbredelsen af ​​lys, den spiralformede vridning resulterede i asymmetriske optiske egenskaber (plasmonisk cirkulær dikroisme) af materialet.

"Dette resultat er banebrydende i den forstand, at det viser, at makroskopiske strukturer og fysiske egenskaber kan bestemmes af den detaljerede nanostruktur, dvs. aminosyresekvensen af ​​viruspartiklerne. Genteknologi beskæftiger sig rutinemæssigt med at designe aminosyresekvensen af ​​proteiner, og det er et spørgsmål om tid, hvornår lignende eller endnu mere sofistikerede makroskopiske vane- og strukturfunktionsegenskaber er demonstreret for ab-initio designede proteinbure, " forklarer Dr. Ville Liljeström, der arbejdede på projektet i løbet af tre år af sine doktorgradsstudier.

Forskergruppen demonstrerede et proof-of-concept, der viser, at supergitteretrådene kan bruges til at danne materialer med fysiske egenskaber styret af eksterne felter. Ved at funktionalisere supergitteretrådene med magnetiske nanopartikler, ledningerne kunne rettes ind af et magnetfelt. På denne måde producerede de plasmoniske polariserende film. Formålet med demonstrationen var at vise, at elektrostatisk selvsamling af nanopartikler potentielt kan bruges til at danne bearbejdelige materialer til fremtidige anvendelser.