Forskere skaber et hav af guldstjerner i nanostørrelse

Forskere fra Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og University of Washington (UW) har med succes designet et bio-inspireret molekyle, der kan dirigere guldatomer til at danne perfekte stjerner i nanoskala. Arbejdet er et vigtigt skridt i retning af at forstå og kontrollere metal nanopartiklers form og skabe avancerede materialer med justerbare egenskaber.

Metalliske nanomaterialer har interessante optiske egenskaber, kaldet plasmoniske egenskaber, siger Chun-Long Chen, som er PNNL seniorforsker, UW tilknyttet professor i kemiteknik og kemi og UW-PNNL Faculty Fellow. Især er stjerneformede metalliske nanomaterialer allerede kendt for at udvise unikke forbedringer, der er nyttige til sansning og påvisning af patogene bakterier, blandt andre nationale sikkerheds- og sundhedsapplikationer.

For at skabe disse slående nanopartikler tunede holdet omhyggeligt sekvenser af peptoider, en type programmerbar proteinlignende syntetisk polymer. "Peptoider tilbyder en unik fordel ved at opnå kontrol på molekylært niveau," siger Chen. I dette tilfælde guider peptoiderne små guldpartikler til at fæstne og slappe af for at danne større femdobbelte tvillinger, mens de også stabiliserer facetterne af krystalstrukturen. Deres tilgang var inspireret af naturen, hvor proteiner kan styre skabelsen af ​​materialer med avancerede funktionaliteter.

Jim De Yoreo og Biao Jin brugte avanceret in situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) til at "se" stjernernes dannelse i opløsning på nanoskala. Teknikken gav både en dybdegående mekanistisk forståelse af, hvordan peptoider styrer processen og afslørede rollerne for partikelbinding og facetstabilisering i kontrollerende form. De Yoreo er Battelle Fellow ved PNNL og tilknyttet professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved UW, og Jin er en postdoc-forsker ved PNNL.

Efter at have samlet deres nanoskala-konstellation brugte forskerne derefter molekylær dynamiksimuleringer til at fange et detaljeringsniveau, der ikke kan hentes fra eksperimenter - og for at belyse, hvorfor specifikke peptoider kontrollerede dannelsen af ​​de perfekte stjerner. Xin Qi, en kemiingeniør postdoc i professor Jim Pfaendtners gruppe, ledede dette arbejde på UW. Qi brugte UW's Hyak-supercomputerklynge til at modellere grænsefladefænomener mellem flere forskellige peptoider og partikeloverflader.

Simuleringerne spiller en afgørende rolle i at lære at designe plasmoniske nanomaterialer, der absorberer og spreder lys på unikke måder. "Du skal have en forståelse på molekylært niveau for at danne denne flotte stjerneformede partikel med interessante plasmoniske egenskaber," sagde Chen. Simuleringer kan opbygge den teoretiske forståelse omkring, hvorfor visse peptoider skaber bestemte former.

Forskerne arbejder hen imod en fremtid, hvor simuleringer guider eksperimentelt design, i en cyklus, som holdet håber vil føre til forudsigelig syntese af nanomaterialer med ønskede plasmoniske forbedringer. I dette aspekt vil de gerne først bruge beregningsværktøjer til at identificere peptoidsidekæder og sekvenser med ønsket facetselektivitet. Derefter ville de anvende state-of-art in situ billeddannelsesteknikker, såsom væskecelle-TEM, til at overvåge det direkte facetudtryk, stabilisering og partikelvedhæftning. Med andre ord siger Chen:"Hvis nogen kan fortælle os, at en struktur af plasmoniske nanomaterialer har interessante optiske egenskaber, kan vi så bruge en peptoid-baseret tilgang til forudsigeligt at lave det?"

Selvom de ikke er til det punkt, bringer dette vellykkede eksperimentelle-beregningsarbejde dem bestemt tættere på. Ydermere er holdets evne til at syntetisere flotte stjerneformer konsekvent et vigtigt skridt; mere homogene partikler omsættes til mere forudsigelige optiske egenskaber.

Dette arbejde blev offentliggjort for nylig i tidsskriftet Angewandte Chemie . + Udforsk yderligere

Koralformede nanopartikler bygget af design ved hjælp af konstruerede peptoider