Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du Department of Energy et de l'Université de Washington (UW) ont réussi à concevoir une molécule bio-inspirée qui peut diriger les atomes d'or pour former des étoiles nanométriques parfaites. Le travail est une étape importante vers la compréhension et le contrôle de la forme des nanoparticules métalliques et la création de matériaux avancés aux propriétés ajustables.

Les nanomatériaux métalliques ont des propriétés optiques intéressantes, appelées propriétés plasmoniques, explique Chun-Long Chen, chercheur principal au PNNL, professeur affilié de génie chimique et de chimie à l'UW et membre de la faculté UW-PNNL. En particulier, les nanomatériaux métalliques en forme d'étoile sont déjà connus pour présenter des améliorations uniques qui sont utiles pour la détection et la détection de bactéries pathogènes, entre autres applications de sécurité nationale et de santé.

Pour créer ces nanoparticules saisissantes, l'équipe a soigneusement réglé des séquences de peptoïdes, un type de polymère synthétique de type protéine programmable. "Les peptoïdes offrent un avantage unique dans la réalisation de contrôles au niveau moléculaire", déclare Chen. Dans ce cas, les peptoïdes guident les petites particules d'or pour qu'elles se fixent et se détendent pour former de plus grandes macles quintuples, tout en stabilisant les facettes de la structure cristalline. Leur approche s'inspire de la nature, où les protéines peuvent contrôler la création de matériaux aux fonctionnalités avancées.

Jim De Yoreo et Biao Jin ont utilisé la microscopie électronique à transmission (TEM) in situ avancée pour "voir" la formation des étoiles en solution à l'échelle nanométrique. La technique a fourni une compréhension mécaniste approfondie de la façon dont les peptoïdes guident le processus et a révélé les rôles de la fixation des particules et de la stabilisation des facettes dans le contrôle de la forme. De Yoreo est Battelle Fellow au PNNL et professeur affilié en science et ingénierie des matériaux à l'UW, et Jin est associé de recherche postdoctoral au PNNL.

Après avoir assemblé leur constellation à l'échelle nanométrique, les chercheurs ont ensuite utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour capturer un niveau de détail qui ne peut être glané à partir d'expériences et pour expliquer pourquoi des peptoïdes spécifiques contrôlaient la formation des étoiles parfaites. Xin Qi, chercheur postdoctoral en génie chimique dans le groupe du professeur Jim Pfaendtner, a dirigé ces travaux à l'UW. Qi a utilisé le cluster de superordinateurs Hyak d'UW pour modéliser les phénomènes d'interface entre plusieurs peptoïdes et surfaces de particules différents.

Les simulations jouent un rôle essentiel dans l'apprentissage de la conception de nanomatériaux plasmoniques qui absorbent et diffusent la lumière de manière unique. "Vous devez avoir une compréhension au niveau moléculaire pour former cette belle particule en forme d'étoile avec des propriétés plasmoniques intéressantes", a déclaré Chen. Les simulations peuvent renforcer la compréhension théorique de la raison pour laquelle certains peptoïdes créent certaines formes.

Les chercheurs travaillent vers un avenir où les simulations guident la conception expérimentale, dans un cycle que l'équipe espère conduira à la synthèse prédictive de nanomatériaux avec les améliorations plasmoniques souhaitées. Dans cet aspect, ils aimeraient d'abord utiliser des outils informatiques pour identifier les chaînes latérales et les séquences peptoïdes avec la sélectivité facette souhaitée. Ensuite, ils utiliseraient des techniques d'imagerie in situ de pointe, telles que la TEM à cellule liquide, pour surveiller l'expression directe des facettes, la stabilisation et la fixation des particules. En d'autres termes, dit Chen :"Si quelqu'un peut nous dire qu'une structure de nanomatériaux plasmoniques possède des propriétés optiques intéressantes, pouvons-nous utiliser une approche basée sur les peptoïdes pour le faire de manière prévisible ?"

Bien qu'ils n'en soient pas là, ce travail expérimental et informatique réussi les rapproche certainement. De plus, la capacité de l'équipe à synthétiser de belles formes d'étoiles de manière cohérente est une étape importante ; des particules plus homogènes se traduisent par des propriétés optiques plus prévisibles.

Ce travail a été publié récemment dans la revue Angewandte Chemie . + Explorer plus loin

Nanoparticules en forme de corail construites par conception à l'aide de peptoïdes modifiés