Kemister vid Carnegie Mellon University har visat att syntetiska nanopartiklar kan uppnå samma nivå av strukturell komplexitet, hierarki och noggrannhet som deras naturliga motsvarigheter - biomolekyler. Studien, publicerad i Vetenskap , avslöjar också mekanismerna på atomnivå bakom självmontering av nanopartiklar.

Resultaten från laboratoriet för kemiprofessor Rongchao Jin ger forskare ett viktigt fönster om hur nanopartiklar bildas, och kommer att hjälpa till att styra konstruktionen av nanopartiklar, inklusive de som kan användas vid tillverkning av datorchips, skapande av nytt material, och utveckling av nya läkemedel och läkemedelsleveransanordningar.

"De flesta tror att nanopartiklar är enkla saker, för de är så små. Men när vi tittar på nanopartiklar på atomnivå, vi fann att de är fulla av underverk, "sa Jin.

Nanopartiklar är vanligtvis mellan 1 och 100 nanometer stora. Partiklar i den större änden av nanoskala är svårare att skapa exakt. Jin har varit i framkant när det gäller att skapa exakta guldnanopartiklar i ett decennium, först etablera strukturen för en ultraliten Au25-nanokluster och sedan arbeta med större och större. År 2015, hans laboratorium använde röntgenkristallografi för att fastställa strukturen hos en Au133-nanopartikel och fann att den innehöll komplex, självorganiserade mönster som speglar mönster som finns i naturen.

I den aktuella studien, de försökte ta reda på mekanismerna som fick dessa mönster att bildas. Forskarna, ledd av doktorand Chenjie Zeng, etablerade strukturen för Au246, en av de största och mest komplexa nanopartiklar som skapats av forskare hittills och den största guldnanopartikel som har sin struktur bestämd genom röntgenkristallografi. Au246 visade sig vara en idealisk kandidat för att dechiffrera de komplexa reglerna för självmontering eftersom den innehåller ett idealiskt antal atomer och ytligander och har ungefär samma storlek och vikt som en proteinmolekyl.

Analys av Au246s struktur avslöjade att partiklarna hade mycket mer gemensamt med biomolekyler än storlek. De fann att liganderna i nanopartiklarna själva monterades till rotations- och parallella mönster som påfallande liknar mönstren som finns i proteinernas sekundära struktur. Detta kan tyda på att nanopartiklar av denna storlek lätt kan interagera med biologiska system, tillhandahålla nya vägar för upptäckt av läkemedel.

Forskarna fann också att Au246 -partiklar bildas genom att följa två regler. Först, de maximerar interaktionerna mellan atomer, en mekanism som hade teoretiserats men ännu inte setts. För det andra matchar nanopartiklarna symmetriska ytmönster, en mekanism som inte hade beaktats tidigare. Matchningen, som liknar pusselbitar som kommer ihop, visar att partikelkomponenterna kan känna igen varandra genom sina mönster och spontant samlas i den högordnade strukturen hos en nanopartikel.

"Självmontering är ett viktigt konstruktionssätt i nanoworlden. Att förstå reglerna för självmontering är avgörande för att utforma och bygga upp komplexa nanopartiklar med ett brett spektrum av funktioner, "sa Zeng, studiens huvudförfattare.

I framtida studier, Jin hoppas kunna skjuta nanopartiklarnas kristallisationsgränser ännu längre till större och större partiklar. Han planerar också att utforska partiklarnas elektroniska och katalytiska kraft.