Forskare från Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och University of Washington (UW) har framgångsrikt designat en bioinspirerad molekyl som kan styra guldatomer för att bilda perfekta stjärnor i nanoskala. Arbetet är ett viktigt steg mot att förstå och kontrollera metallnanopartiklars form och skapa avancerade material med avstämbara egenskaper.

Metalliska nanomaterial har intressanta optiska egenskaper, så kallade plasmoniska egenskaper, säger Chun-Long Chen, som är seniorforskare vid PNNL, UW affilierad professor i kemiteknik och kemi och UW–PNNL fakultetsstipendiat. I synnerhet är stjärnformade metalliska nanomaterial redan kända för att uppvisa unika förbättringar som är användbara för avkänning och upptäckt av patogena bakterier, bland andra nationella säkerhets- och hälsotillämpningar.

För att skapa dessa slående nanopartiklar, trimmade teamet noggrant sekvenser av peptoider, en typ av programmerbar proteinliknande syntetisk polymer. "Peptoider erbjuder en unik fördel för att uppnå kontroller på molekylär nivå", säger Chen. I det här fallet styr peptoiderna små guldpartiklar att fästa och slappna av för att bilda större femfaldiga tvillingar, samtidigt som de stabiliserar kristallstrukturens facetter. Deras tillvägagångssätt var inspirerat av naturen, där proteiner kan styra skapandet av material med avancerade funktioner.

Jim De Yoreo och Biao Jin använde avancerad in situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att "se" stjärnornas bildning i lösning på nanoskala. Tekniken gav både en djupgående mekanistisk förståelse för hur peptoider styr processen och avslöjade rollerna för partikelfästning och fasettstabilisering för att kontrollera formen. De Yoreo är en Battelle Fellow vid PNNL och affiliate professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid UW, och Jin är en postdoktorand forskningsassistent vid PNNL.

Efter att ha satt ihop sin konstellation i nanoskala använde forskarna sedan simuleringar av molekylär dynamik för att fånga en detaljnivå som inte kan hämtas från experiment – ​​och för att belysa varför specifika peptoider styrde bildandet av de perfekta stjärnorna. Xin Qi, en kemiteknisk postdoktor i professor Jim Pfaendtners grupp, ledde detta arbete vid UW. Qi använde UW:s Hyak superdatorkluster för att modellera gränssnittsfenomen mellan flera olika peptoider och partikelytor.

Simuleringarna spelar en avgörande roll för att lära sig att designa plasmoniska nanomaterial som absorberar och sprider ljus på unika sätt. "Du måste ha en förståelse på molekylär nivå för att bilda denna fina stjärnformade partikel med intressanta plasmoniska egenskaper," sa Chen. Simuleringar kan bygga den teoretiska förståelsen kring varför vissa peptoider skapar vissa former.

Forskarna arbetar mot en framtid där simuleringar vägleder experimentell design, i en cykel som teamet hoppas ska leda till prediktiv syntes av nanomaterial med önskade plasmoniska förbättringar. I denna aspekt vill de först använda beräkningsverktyg för att identifiera peptoida sidokedjor och sekvenser med önskad facettselektivitet. Sedan skulle de använda state-of-art in situ-avbildningstekniker, såsom flytande cell TEM, för att övervaka det direkta facettuttrycket, stabiliseringen och partikelvidhäftningen. Med andra ord säger Chen:"Om någon kan berätta för oss att en struktur av plasmoniska nanomaterial har intressanta optiska egenskaper, kan vi använda en peptoidbaserad metod för att förutsägbart göra det?"

Även om de inte är till den punkten, kommer detta framgångsrika experimentella-beräkningsarbete dem verkligen närmare. Vidare är lagets förmåga att syntetisera snygga stjärnformer konsekvent ett viktigt steg; mer homogena partiklar översätts till mer förutsägbara optiska egenskaper.

Detta arbete publicerades nyligen i tidskriften Angewandte Chemie . + Utforska vidare

Korallformade nanopartiklar byggda genom design med hjälp av konstruerade peptoider