Forskare har länge arbetat för att ta itu med en stor utmaning inom syntesvetenskap:att designa och syntetisera bioinspirerade funktionella material som kan jämföras med de som finns inom biologi. Om vi ​​kan lära oss hur man efterliknar in vivo-funktioner hos naturliga proteiner – som hur biomolekyler (t.ex. proteiner) och oorganiska salter interagerar för att bilda tänder, ben, eller skalmineraler – forskare kanske kan tillämpa upptäckten för att producera mycket komplexa, designbar, hybridmaterial för energirelaterade applikationer.

I en tidning som nyligen publicerades i Naturkommunikation , Chun-Long Chen, en materialforskare vid Pacific Northwest National Laboratory, beskrev hur hans multidisciplinära team försökte förstå och utnyttja den komplexa funktionaliteten hos hierarkisk materia och förutsäga dess form och funktion. Teamet designade noggrant peptoider, typer av sekvensdefinierade syntetiska molekyler, för att kontrollera bildandet av sfäriska korallformade guldnanopartiklar. De försökte också förstå hur peptoidmolekylen fungerar under partikelbildning, hur peptoider interagerar med varandra, och hur de binder till guldets yta. Längs vägen, de upptäckte hur dessa mekanistiska studier kan skriva reglerna för att designa peptoider för syntes av prediktivt material.

"Processen var fascinerande, "sa Chen." Kontrollera kärnbildningen, tillväxtkinetik, och morfologi av nanostrukturerade oorganiska material med sekvensdefinierade molekyler för att avsiktligt producera dessa sfäriska korallformade nanostrukturer gav oss förtroende för att andra former kunde uppnås med liknande metoder."

Deras arbete ledde till en viktig bedrift inom materialsyntes:utvecklingen av en tumregel för att designa peptoider som möjliggör prediktiv syntes av korallformade guldnanopartiklar. Dessa individuella guldpartiklar uppvisar en plasmonisk förbättring så hög som 10 ⁵ vika ihop.

Medan naturliga organismer gör en mängd olika utsökt komplexa, nano-, mikro-, och makroskala funktionella material med hög avkastning på ett energieffektivt och mycket reproducerbart sätt, allt under ganska milda vattenhaltiga syntetiska förhållanden, att uppnå en sådan exakt kontroll över nanopartikelmorfologi är utmanande. Att kunna göra det är viktigt för framtida tekniska tillämpningar av nanopartiklar. Kontrollnivån och komplexiteten hos nanostrukturerna i den här studien sticker ut och, som Chen noterar, driver oss närmare prediktiva, bioinspirerad, materialsyntes.

Teamet är peptoidbaserad, biomimetrisk metod genererar komplex, funktionella nanomaterial under milda vattenhaltiga syntetiska förhållanden; forskare som studerar syntesen av hybridmaterial för energirelaterade tillämpningar (t.ex. solenergi eller batteriapplikationer) skulle troligen finna dem av intresse.

Att uppnå den förutsägbara syntesen av oorganiska nanomaterial är en långvarig utmaning. Om forskare kan utveckla reglerna för att exakt kontrollera materialmorfologi - som naturen gör under biomineralbildning - kan de använda dessa bioinspirerade metoder för att producera mycket komplexa, designbar, hybridmaterial på ett rationellt eller till och med förutsägbart sätt för energirelaterade tillämpningar.

Förr, många forskare har använt biomolekyler – särskilt proteiner och peptider – för att utveckla sätt att kontrollera bildningen av nanomaterial, men reglerna för att designa molekyler som leder till bildandet av material med förutsägbar morfologi är fortfarande okända. I den här studien, Chen och hans team bestämde sig för att använda peptoider för att kontrollera bildandet av guld nanomaterial. De använde specifikt peptoider (istället för proteiner och peptider) av tre skäl:peptoider har inte den inneboende komplexitet som orsakas av ryggradsveckning, peptoider har liknande eller till och med större variationer av sidokedjor, och peptoider har högre kemisk och termisk stabilitet.

Teamet föreställde sig att det höga informationsinnehållet i peptoidmolekyler skulle ge dem kontroll över materialbildningen och skulle avslöja reglerna bakom bildningsprocessen.

"Framgången med denna forskning är ett vackert exempel på lagarbete, " sa Chen.

Lagets tidning, publiceras i Naturkommunikation som "Kontrollerad syntes av mycket förgrenade plasmoniska guldnanopartiklar genom peptoidteknik, " beskriver det lagarbetet i detalj. Stegen inkluderade att designa och syntetisera peptoider med rationella modifieringar av deras kemi; använda state-of-art vätskecellstransmissionselektronmikroskopi (TEM) för att observera hur partiklarna bildas, bifoga, och smälter samman till kluster av nanorods i realtid; använda molekylär dynamik simuleringar för att visa hur peptoidmolekyler med varierande kemi interagerar med guld; och att använda sekundär jonmasspektrometri och röntgenfotoelektronspektroskopi för att experimentellt bekräfta beräkningsförutsägelserna.

Genom dessa mekanistiska studier, teamet fick en tydlig förståelse för peptoidkontrollerad korallformad guldnanopartikelbildning. Detta hjälpte dem att utveckla en tumregel för att designa peptoider som prediktivt möjliggjorde den morfologiska utvecklingen från sfäriska till korallformade nanopartiklar. Teamet fann också att de enskilda korallformade guldnanopartiklarna uppvisade en plasmonisk förbättring så hög som 105 gånger, och de kunde utöka denna peptoidbaserade metod för kontrollerad syntes av andra korallformade nanopartiklar, framhäver dess breda användbarhet.

Att uppnå en hög nivå av reglering över morfologi-sett när biomineralbildning styrs av proteiner och peptider-är fortfarande en betydande utmaning och reglerna för biokontrollerad bildning av nanomaterial förblir okända. Att bygga på deras framgång med att urskilja reglerna för att tillverka korallformade nanopartiklar, Chen och hans team har nya former i åtanke. De arbetar för närvarande för att uppnå en liknande förståelse av den peptoidkontrollerade bildningen av andra morfologier, inklusive femuddiga stjärnformade guldnanopartiklar och arkliknande silvernanopartiklar. Han förväntar sig att detta peptoidbaserade tillvägagångssätt kan leda till skapandet av ett brett spektrum av komplexa morfologier och kommer så småningom att vara användbart för att utveckla en prediktiv syntes av nanomaterial som har komplexa morfologier och programmerbara funktioner.