Det har alltid varit materialvetenskapens heliga gral att beskriva och kontrollera materialets struktur-funktion-förhållande. Nanopartiklar är en attraktiv klass av komponenter som ska användas i funktionella material eftersom de uppvisar storleksberoende egenskaper, såsom superparamagnetism och plasmonisk absorption av ljus. Vidare, kontroll av arrangemanget av nanopartiklar kan resultera i oförutsedda egenskaper, men sådana studier är svåra att genomföra på grund av begränsade effektiva metoder för att producera väldefinierade tredimensionella nanostrukturer.

Enligt forskare från Biohybrid Materials Group, ledd av prof. Mauri Kostiainen, naturens egna laddade nanopartiklar - proteinburar och virus - kan användas för att bestämma strukturen hos sammansatta nanomaterial.

Virus och proteiner är idealiska modellpartiklar för materialvetenskap, eftersom de är genetiskt kodade och har en atomiskt exakt struktur. Dessa väldefinierade biologiska partiklar kan användas för att styra arrangemanget av andra nanopartiklar i en vattenlösning. I föreliggande studie, forskarna visar att en kombination av infödda Tobacco Mosaic Virus med guld nanopartiklar på ett kontrollerat sätt leder till metall-protein superlattice trådar.

"Vi studerade inledningsvis geometriska aspekter av nanopartiklarnas supergitterteknik. Vi antog att storleksförhållandet mellan motsatt laddade nanoroder (TMV-virus) och nanosfärer (guldnanopartiklar) effektivt kunde användas för att kontrollera den tvådimensionella supergittergeometrin. Vi kunde faktiskt demonstrera detta. Ännu mer intressant, vår strukturella karakterisering avslöjade detaljer om de kooperativa monteringsmekanismerna som fortskrider på ett blixtlåsliknande sätt, vilket leder till supergitterkablar med hög bildförhållande, "Säger Kostiainen." Att kontrollera den makroskopiska vanan med självmonterade nanomaterial är långt ifrån trivialt, " han lägger till.

Superlattice -ledningar kan bilda nya material

Resultaten visade att nanoskala interaktioner verkligen styr den makroskopiska vanan hos de bildade superlatt trådarna. Forskarna observerade att de bildade makroskopiska trådarna genomgår en högerhänt spiralformad vridning som förklarades av den elektrostatiska attraktionen mellan det asymmetriskt mönstrade TMV-viruset och de motsatt laddade sfäriska nanopartiklarna. Eftersom plasmoniska nanostrukturer effektivt påverkar spridningen av ljus, den spiralformade vridningen resulterade i asymmetriska optiska egenskaper (plasmonisk cirkulär dikroism) hos materialet.

"Detta resultat är banbrytande i den meningen att det visar att makroskopiska strukturer och fysiska egenskaper kan bestämmas av den detaljerade nanostrukturen, dvs aminosyrasekvensen för viruspartiklarna. Genteknik arbetar rutinmässigt med att utforma aminosyrasekvensen för proteiner, och det är en tidsfråga när liknande eller ännu mer sofistikerade makroskopiska vanor och strukturfunktionsegenskaper demonstreras för ab-initio-designade proteinburar, "förklarar Dr Ville Liljeström som arbetade med projektet under tre år av sina doktorandstudier.

Forskargruppen demonstrerade ett proof-of-concept som visar att supergittertrådarna kan användas för att bilda material med fysiska egenskaper som styrs av yttre fält. Genom att funktionalisera supergittertrådarna med magnetiska nanopartiklar, trådarna kunde justeras med ett magnetfält. På detta sätt producerade de plasmoniska polariserande filmer. Syftet med demonstrationen var att visa att elektrostatisk självmontering av nanopartiklar potentiellt kan användas för att forma bearbetbara material för framtida applikationer.