Les chercheurs ont longtemps travaillé pour relever un grand défi de la science de la synthèse :concevoir et synthétiser des matériaux fonctionnels bio-inspirés qui rivalisent avec ceux de la biologie. Si nous pouvons apprendre à imiter les fonctions in vivo des protéines naturelles, comme la façon dont les biomolécules (par exemple, protéines) et les sels inorganiques interagissent pour former les dents, OS, ou des minéraux de coquille - les chercheurs pourraient être en mesure d'appliquer la découverte pour produire des dessinable, matériaux hybrides pour des applications liées à l'énergie.

Dans un article récemment publié dans Communication Nature , Chun Long Chen, un scientifique des matériaux au Pacific Northwest National Laboratory, a décrit comment son équipe multidisciplinaire cherchait à comprendre et à exploiter la fonctionnalité complexe de la matière hiérarchique et à prédire sa forme et sa fonction. L'équipe a soigneusement conçu des peptoïdes, types de molécules synthétiques à séquences définies, pour contrôler la formation de nanoparticules d'or sphériques en forme de corail. Ils ont également cherché à comprendre comment la molécule peptoïde fonctionne lors de la formation des particules, comment les peptoïdes interagissent les uns avec les autres, et comment ils se lient à la surface de l'or. Le long du chemin, ils ont découvert comment ces études mécanistes peuvent écrire les règles de conception de peptoïdes pour la synthèse prédictive de matériaux.

"Le processus était fascinant, " dit Chen. " Contrôler la nucléation, cinétique de croissance, et la morphologie des matériaux inorganiques nanostructurés avec des molécules définies par séquence pour produire intentionnellement ces nanostructures sphériques en forme de corail nous a donné confiance que d'autres formes pourraient être obtenues en utilisant des méthodes similaires.

Leurs travaux ont conduit à un exploit important dans la synthèse de matériaux :le développement d'une règle empirique pour la conception de peptoïdes qui permettent la synthèse prédictive de nanoparticules d'or en forme de corail. Ces particules d'or individuelles présentent une amélioration plasmonique aussi élevée que 10 ⁵ plier.

Alors que les organismes naturels fabriquent une grande variété de substances extrêmement complexes, nano-, micro-, et des matériaux fonctionnels à grande échelle à des rendements élevés de manière économe en énergie et hautement reproductible, le tout dans des conditions de synthèse aqueuses plutôt douces, parvenir à un contrôle aussi précis de la morphologie des nanoparticules est un défi. Être capable de le faire est important pour les futures applications technologiques des nanoparticules. Le niveau de contrôle et la complexité des nanostructures dans cette étude particulière se démarquent et, comme le note Chen, nous rapproche du prédictif, bio-inspiré, synthèse des matériaux.

L'équipe à base de peptoïde, approche biomimétrique génère des complexes, nanomatériaux fonctionnels dans des conditions synthétiques aqueuses douces; chercheurs étudiant la synthèse de matériaux hybrides pour des applications liées à l'énergie (par exemple, l'énergie solaire ou les applications de batterie) les trouveraient probablement intéressantes.

Atteindre la synthèse prévisible de nanomatériaux inorganiques est un défi de longue date. Si les scientifiques peuvent développer les règles pour contrôler avec précision la morphologie des matériaux, comme le fait la nature lors de la formation biominérale, ils peuvent utiliser ces approches bio-inspirées pour produire des, dessinable, matériaux hybrides de manière rationnelle voire prévisible pour des applications liées à l'énergie.

Autrefois, de nombreux chercheurs ont utilisé des biomolécules, en particulier des protéines et des peptides, pour développer des moyens de contrôler la formation de nanomatériaux, mais les règles de conception des molécules qui conduisent à la formation de matériaux aux morphologies prévisibles sont encore inconnues. Dans cette étude, Chen et son équipe ont décidé d'utiliser des peptoïdes pour contrôler la formation de nanomatériaux d'or. Ils ont spécifiquement utilisé des peptoïdes (au lieu de protéines et de peptides) pour trois raisons :les peptoïdes n'ont pas la complexité intrinsèque causée par le repliement du squelette, les peptoïdes ont des variations similaires ou même plus grandes de chaînes latérales, et les peptoïdes ont des stabilités chimiques et thermiques plus élevées.

L'équipe a imaginé que la teneur élevée en informations des molécules peptoïdes leur donnerait le contrôle de la formation des matériaux et révélerait les règles derrière le processus de formation.

« La réussite de cette recherche est un bel exemple de travail d'équipe, " dit Chen.

Le papier de l'équipe, Publié dans Communication Nature comme "Synthèse contrôlée de nanoparticules d'or plasmoniques hautement ramifiées par ingénierie peptoïde, " décrit ce travail d'équipe en détail. Les étapes comprenaient la conception et la synthèse de peptoïdes avec des modifications rationnelles de leurs chimies ; l'utilisation de la microscopie électronique à transmission à cellules fluides (MET) pour observer comment les particules se forment, attacher, et fusionner en grappes de nanotiges en temps réel ; utiliser des simulations de dynamique moléculaire pour montrer comment les molécules peptoïdes à chimie variable interagissent avec l'or ; et en utilisant des techniques de spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol et de spectroscopie photoélectronique à rayons X pour confirmer expérimentalement les prédictions informatiques.

A travers ces études mécanistes, l'équipe a acquis une compréhension claire de la formation de nanoparticules d'or en forme de corail contrôlée par les peptoïdes. Cela les a aidés à développer une règle empirique pour la conception de peptoïdes qui ont permis de manière prédictive l'évolution morphologique des nanoparticules sphériques aux nanoparticules en forme de corail. L'équipe a également découvert que les nanoparticules d'or individuelles en forme de corail présentaient une amélioration plasmonique pouvant atteindre 105 fois, et ils ont pu étendre cette approche basée sur les peptoïdes pour la synthèse contrôlée d'autres nanoparticules en forme de corail, soulignant sa large utilité.

Atteindre un haut niveau de régulation sur la morphologie, observé lorsque la formation biominérale est contrôlée par des protéines et des peptides, reste un défi important et les règles régissant la formation bio-contrôlée de nanomatériaux restent inconnues. Fort de leur succès en discernant les règles de fabrication des nanoparticules en forme de corail, Chen et son équipe ont de nouvelles formes en tête. Ils travaillent actuellement à parvenir à une compréhension similaire de la formation contrôlée par les peptoïdes d'autres morphologies, comprenant des nanoparticules d'or en forme d'étoile à cinq branches et des assemblages de nanoparticules d'argent en forme de feuille. Il s'attend à ce que cette approche basée sur les peptoïdes puisse conduire à la création d'un large éventail de morphologies complexes et sera éventuellement utile pour développer une synthèse prédictive de nanomatériaux qui ont des morphologies complexes et des fonctions programmables.