Chemici van de Carnegie Mellon University hebben aangetoond dat synthetische nanodeeltjes hetzelfde niveau van structurele complexiteit kunnen bereiken, hiërarchie en nauwkeurigheid als hun natuurlijke tegenhangers - biomoleculen. De studie, gepubliceerd in Wetenschap , onthult ook de mechanismen op atomair niveau achter de zelfassemblage van nanodeeltjes.

De bevindingen van het laboratorium van scheikundeprofessor Rongchao Jin bieden onderzoekers een belangrijk inzicht in hoe nanodeeltjes ontstaan, en zal helpen bij de constructie van nanodeeltjes, inclusief die welke kunnen worden gebruikt bij de fabricage van computerchips, creëren van nieuwe materialen, en ontwikkeling van nieuwe medicijnen en apparaten voor medicijnafgifte.

"De meeste mensen denken dat nanodeeltjes simpele dingen zijn, omdat ze zo klein zijn. Maar als we kijken naar nanodeeltjes op atomair niveau, we ontdekten dat ze vol wonderen zijn, " zei Jin.

Nanodeeltjes zijn meestal tussen de 1 en 100 nanometer groot. Deeltjes aan het grotere uiteinde van de nanoschaal zijn moeilijker precies te creëren. Jin loopt al tien jaar voorop bij het maken van nauwkeurige gouden nanodeeltjes, eerst de structuur van een ultraklein Au25-nanocluster vaststellen en vervolgens werken aan grotere en grotere. in 2015, zijn laboratorium gebruikte röntgenkristallografie om de structuur van een Au133-nanodeeltje vast te stellen en ontdekte dat het complexe, zelfgeorganiseerde patronen die de patronen van de natuur weerspiegelen.

In de huidige studie, ze probeerden de mechanismen te achterhalen die ervoor zorgden dat deze patronen werden gevormd. De onderzoekers, onder leiding van afgestudeerde student Chenjie Zeng, vestigde de structuur van Au246, een van de grootste en meest complexe nanodeeltjes die tot nu toe door wetenschappers zijn gemaakt en het grootste gouden nanodeeltje waarvan de structuur is bepaald door röntgenkristallografie. Au246 bleek een ideale kandidaat voor het ontcijferen van de complexe regels van zelfassemblage omdat het een ideaal aantal atomen en oppervlakteliganden bevat en ongeveer even groot en even zwaar is als een eiwitmolecuul.

Analyse van de structuur van Au246 onthulde dat de deeltjes veel meer gemeen hadden met biomoleculen dan met hun grootte. Ze ontdekten dat de liganden in de nanodeeltjes zichzelf assembleerden tot roterende en parallelle patronen die opvallend veel lijken op de patronen die worden gevonden in de secundaire structuur van eiwitten. Dit zou erop kunnen wijzen dat nanodeeltjes van deze grootte gemakkelijk kunnen interageren met biologische systemen, nieuwe wegen bieden voor het ontdekken van geneesmiddelen.

De onderzoekers ontdekten ook dat Au246-deeltjes worden gevormd door twee regels te volgen. Eerst, ze maximaliseren de interacties tussen atomen, een mechanisme dat was getheoretiseerd maar nog niet gezien. Ten tweede komen de nanodeeltjes overeen met symmetrische oppervlaktepatronen, een mechanisme dat niet eerder was overwogen. De bijpassende, wat lijkt op puzzelstukjes die in elkaar vallen, laat zien dat de componenten van het deeltje elkaar kunnen herkennen aan hun patronen en spontaan kunnen assembleren tot de sterk geordende structuur van een nanodeeltje.

"Zelfassemblage is een belangrijke manier van bouwen in de nanowereld. Het begrijpen van de regels van zelfassemblage is van cruciaal belang voor het ontwerpen en bouwen van complexe nanodeeltjes met een breed scala aan functionaliteiten, " zei Zeng, hoofdauteur van de studie.

In toekomstige studies, Jin hoopt de kristallisatiegrenzen van nanodeeltjes nog verder te verleggen naar steeds grotere deeltjes. Hij is ook van plan om de elektronische en katalytische kracht van de deeltjes te onderzoeken.