Onderzoekers creëren een zee van gouden sterren van nanoformaat

Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van het Department of Energy en de University of Washington (UW) hebben met succes een bio-geïnspireerd molecuul ontworpen dat goudatomen kan sturen om perfecte sterren op nanoschaal te vormen. Het werk is een belangrijke stap op weg naar het begrijpen en beheersen van de vorm van metalen nanodeeltjes en het creëren van geavanceerde materialen met afstembare eigenschappen.

Metalen nanomaterialen hebben interessante optische eigenschappen, plasmonische eigenschappen genoemd, zegt Chun-Long Chen, senior research scientist bij PNNL, universitair hoofddocent chemische technologie en chemie en UW-PNNL Faculty Fellow. In het bijzonder is al bekend dat stervormige metalen nanomaterialen unieke verbeteringen vertonen die nuttig zijn voor het detecteren en detecteren van pathogene bacteriën, naast andere nationale veiligheids- en gezondheidstoepassingen.

Om deze opvallende nanodeeltjes te maken, heeft het team zorgvuldig sequenties van peptoïden afgestemd, een soort programmeerbaar eiwitachtig synthetisch polymeer. “Peptoïden bieden een uniek voordeel bij het bereiken van controles op moleculair niveau”, zegt Chen. In dit geval leiden de peptoïden kleine gouddeeltjes om te hechten en te ontspannen om grotere vijfvoudige tweelingdeeltjes te vormen, terwijl ze ook de facetten van de kristalstructuur stabiliseren. Hun aanpak is geïnspireerd op de natuur, waar eiwitten de creatie van materialen met geavanceerde functionaliteiten kunnen controleren.

Jim De Yoreo en Biao Jin gebruikten geavanceerde in-situ transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om de vorming van sterren in oplossing op nanoschaal te “zien”. De techniek verschafte zowel een diepgaand mechanistisch begrip van hoe peptoïden het proces sturen en onthulde de rol van deeltjesaanhechting en facetstabilisatie bij het beheersen van de vorm. De Yoreo is een Battelle Fellow bij PNNL en aangesloten hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de UW, en Jin is een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij PNNL.

Nadat ze hun constellatie op nanoschaal hadden verzameld, gebruikten de onderzoekers moleculaire dynamica-simulaties om een ​​detailniveau vast te leggen dat niet uit experimenten kan worden afgeleid – en om te verduidelijken waarom specifieke peptoïden de vorming van de perfecte sterren controleerden. Xin Qi, een postdoctoraal onderzoeker op het gebied van chemische technologie in de groep van professor Jim Pfaendtner, leidde dit werk aan de UW. Qi gebruikte UW’s Hyak-supercomputercluster om grensvlakfenomenen tussen verschillende peptoïden en deeltjesoppervlakken te modelleren.

De simulaties spelen een cruciale rol bij het leren ontwerpen van plasmonische nanomaterialen die licht op unieke manieren absorberen en verstrooien. “Je moet kennis op moleculair niveau hebben om dit mooie stervormige deeltje met interessante plasmonische eigenschappen te vormen”, zei Chen. Simulaties kunnen het theoretische begrip opbouwen waarom bepaalde peptoïden bepaalde vormen creëren.

De onderzoekers werken aan een toekomst waarin simulaties het experimentele ontwerp begeleiden, in een cyclus waarvan het team hoopt dat het zal leiden tot voorspellende synthese van nanomaterialen met gewenste plasmonische verbeteringen. In dit aspect willen ze eerst computationele tools gebruiken om peptoïde zijketens en sequenties met de gewenste facetselectiviteit te identificeren. Vervolgens zouden ze state-of-art in situ beeldvormingstechnieken gebruiken, zoals vloeibare cel TEM, om de directe facetexpressie, stabilisatie en deeltjesaanhechting te volgen. Met andere woorden, Chen zegt: “Als iemand ons kan vertellen dat een structuur van plasmonische nanomaterialen interessante optische eigenschappen heeft, kunnen we dan een op peptoïden gebaseerde benadering gebruiken om dat voorspelbaar te maken?”

Hoewel ze nog niet zover zijn, brengt dit succesvolle experimenteel-computationele werk ze zeker dichterbij. Verder is het vermogen van het team om consistent mooie stervormen te synthetiseren een belangrijke stap; meer homogene deeltjes vertalen zich in meer voorspelbare optische eigenschappen.

Dit werk is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie.