Forskare vid University of Tokyo använde en hybrid av Monte Carlo och simuleringar av molekylär dynamik för att förutsäga självmontering av laddade Janus-partiklar, vilket kan leda till biomimetiska nanostrukturer som kan sättas ihop som proteiner. Kredit:Institute of Industrial Science, University of Tokyo
Forskare från Research Center for Advanced Science and Technology och Institute of Industrial Science vid Tokyos universitet använde en ny datorsimulering för att modellera den elektrostatiska självorganiseringen av zwitterjoniska nanopartiklar, som är användbara för läkemedelstillförsel. De fann att inkludering av transienta laddningsfluktuationer ökade noggrannheten avsevärt, vilket kan hjälpa till att leda till utvecklingen av nya självmonterande smarta nanomaterial.
I antik romersk mytologi var Janus guden för både början och slut. Hans dubbla natur återspeglades ofta i hans skildring med två ansikten. Han lånar också sitt namn till så kallade Janus-partiklar, som är nanopartiklar som innehåller två eller flera distinkta fysikaliska eller kemiska egenskaper på sin yta. En lovande "tvåsidig" lösning använder zwitterjoniska partiklar, som är sfärer med en positivt laddad sida och en negativt laddad sida. Forskare hoppas kunna skapa självorganiserande strukturer, som kan aktiveras av förändringar i en lösnings saltkoncentration eller pH. Den här typen av "bottom-up"-teknik kräver dock mer exakta datorsimuleringar att implementera.
Nu har ett team av forskare från The Research Center for Advanced Science and Technology och Institute of Industrial Science vid Tokyos universitet skapat en ny datormodell som inkorporerar transienta fluktuationer i förändringsfördelningarna på ytan av de partiklar som kan ge upphov till till ett bredare utbud av strukturer, jämfört med nuvarande mjukvara. "Att simulera den dynamiska dissociationen eller sammanslutningen av joniseringsgrupper är i sig mer utmanande och måste upprepas upprepade gånger tills självständiga resultat erhålls", säger första författaren Jiaxing Yuan.
Forskarna visade att den tidigare metoden att anta att var och en av partiklarna bär en konstant laddning kan ge felaktiga resultat. För att simulera den möjliga övergången till kompakta kluster, istället för att uteslutande producera långsträckta strängar, behövde datorn inkludera kortlivade fluktuationer i ytladdningen. Dessa skillnader är särskilt märkbara vid låg saltkoncentration och hög elektrostatisk kopplingsstyrka.
I levande organismer viks proteiner till mycket specifika former baserat till stor del på attraktionen mellan de positivt och negativt laddade områdena. I framtiden kan artificiellt utformade partiklar kunna självmontera sig när de utlöses av förändrade förhållanden. "Med zwitterjoniska partiklar hoppas vi kunna skapa funktionella material med avstämbara egenskaper, liknande självorganiseringen av laddade proteiner", säger seniorförfattaren Hajime Tanaka.
Forskningen publicerades i Physical Review Letters . + Utforska vidare
