science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Assemblage van nanodeeltjes verloopt als een rits

Ritsachtige assemblage van nanocomposiet leidt tot superroosterdraden die worden gekenmerkt door een goed gedefinieerde periodieke interne structuur. Krediet:Dr. Nonappa en Ville Liljeström

Het is altijd de heilige graal van de materiaalwetenschap geweest om de structuur-functierelatie van het materiaal te beschrijven en te beheersen. Nanodeeltjes zijn een aantrekkelijke klasse van componenten voor gebruik in functionele materialen omdat ze grootteafhankelijke eigenschappen vertonen, zoals superparamagnetisme en plasmonische absorptie van licht. Verder, het regelen van de rangschikking van nanodeeltjes kan leiden tot onvoorziene eigenschappen, maar dergelijke studies zijn moeilijk uit te voeren vanwege de beperkte efficiënte benaderingen om goed gedefinieerde driedimensionale nanostructuren te produceren.

Volgens wetenschappers van de Biohybrid Materials Group, onder leiding van Prof. Mauri Kostiainen, de geladen nanodeeltjes van de natuur – eiwitkooien en virussen – kunnen worden gebruikt om de structuur van composiet nanomaterialen te bepalen.

Virussen en eiwitten zijn ideale modeldeeltjes voor gebruik in de materiaalkunde, omdat ze genetisch gecodeerd zijn en een atomair precieze structuur hebben. Deze goed gedefinieerde biologische deeltjes kunnen worden gebruikt om de rangschikking van andere nanodeeltjes in een waterige oplossing te begeleiden. In de huidige studie, de onderzoekers laten zien dat het op gecontroleerde wijze combineren van native Tobacco Mosaic Virus met gouden nanodeeltjes leidt tot metaal-eiwit superroosterdraden.

"We hebben in eerste instantie geometrische aspecten van nanodeeltjes-superrooster-engineering bestudeerd. We veronderstelden dat de grootteverhouding van tegengesteld geladen nanostaafjes (TMV-virussen) en nanosferen (gouden nanodeeltjes) efficiënt zou kunnen worden gebruikt om de tweedimensionale superroostergeometrie te regelen. We waren eigenlijk in staat om laat dit zien. Nog interessanter, onze structurele karakterisering onthulde details over de coöperatieve assemblagemechanismen die op een ritsachtige manier verlopen, wat leidt tot superroosterdraden met een hoge beeldverhouding, Kostiainen zegt. "Het beheersen van de macroscopische gewoonte van zelf-geassembleerde nanomaterialen is verre van triviaal, " hij voegt toe.

Superrooster draden potentieel om nieuwe materialen te vormen

De resultaten toonden aan dat interacties op nanoschaal de macroscopische gewoonte van de gevormde superroosterdraden echt beheersen. De onderzoekers observeerden dat de gevormde macroscopische draden een rechtshandige spiraalvormige draai ondergaan die werd verklaard door de elektrostatische aantrekkingskracht tussen het asymmetrisch gevormde TMV-virus en de tegengesteld geladen sferische nanodeeltjes. Omdat plasmonische nanostructuren de voortplanting van licht efficiënt beïnvloeden, de spiraalvormige verdraaiing resulteerde in asymmetrische optische eigenschappen (plasmonisch circulair dichroïsme) van het materiaal.

"Dit resultaat is baanbrekend in die zin dat het aantoont dat macroscopische structuren en fysieke eigenschappen kunnen worden bepaald door de gedetailleerde nanostructuur, d.w.z. de aminozuursequentie van de virusdeeltjes. Genetische manipulatie houdt zich routinematig bezig met het ontwerpen van de aminozuursequentie van eiwitten, en het is een kwestie van tijd wanneer vergelijkbare of zelfs meer geavanceerde macroscopische eigenschappen en structuur-functie-eigenschappen worden aangetoond voor door ab-initio ontworpen eiwitkooien, " legt Dr. Ville Liljeström uit, die gedurende drie jaar van zijn doctoraatsstudie aan het project werkte.

De onderzoeksgroep demonstreerde een proof-of-concept dat aantoont dat de superroosterdraden kunnen worden gebruikt om materialen te vormen met fysieke eigenschappen die worden gecontroleerd door externe velden. Door de superroosterdraden te functionaliseren met magnetische nanodeeltjes, de draden kunnen worden uitgelijnd door een magnetisch veld. Op deze manier produceerden ze plasmonische polariserende films. Het doel van de demonstratie was om aan te tonen dat elektrostatische zelfassemblage van nanodeeltjes mogelijk kan worden gebruikt om verwerkbare materialen te vormen voor toekomstige toepassingen.