Onder leiding van de Ikerbaskische professor Luis Liz-Marzán, onderzoekers van het Center for Cooperative Research in Biomaterials CIC biomaGUNE hebben een mechanisme ontwikkeld waarmee goudatomen door middel van chemische reductie worden afgezet op eerder gevormde gouden nanostaafjes om een ​​quasi-helixoïdale structuur te produceren (de deeltjes krijgen chiraliteit). Door deze geometrie kunnen deze "nanoschroeven" veel efficiënter interageren met circulair gepolariseerd licht dan met enig ander bekend object wordt bereikt. Deze eigenschappen zouden kunnen leiden tot de detectie van biomoleculen op een zeer selectieve en zeer gevoelige manier. Wat we hier hebben is een veelzijdige, reproduceerbaar mechanisme dat schaalbaar is voor de fabricage van nanodeeltjes met sterke chirale optische activiteit. Dit onderzoek is gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap .

Er zijn veel gebieden waarin de interactie tussen licht en materiaal wordt gebruikt om stoffen te detecteren. In principe, licht schijnt op het materiaal en wordt ofwel zeer helder ofwel zeer selectief geabsorbeerd of gereflecteerd, afhankelijk van de grootte en geometrie van het deeltje en het type invallend licht. De onderzoeksgroep onder leiding van Luis Liz-Marzán, die werkt op het gebied dat bekend staat als nanoplasmonica, maakt gebruik van nanodeeltjes van edele metalen, zoals goud of zilver, "omdat licht op een speciale manier interageert met deeltjes van dit type en formaat, " legde Liz-Marzán uit, Wetenschappelijk directeur van CIC biomaGUNE. "In dit geval, we hebben de interactie tussen deze chirale gouden nanodeeltjes en circulair gepolariseerd licht bestudeerd."

Licht is normaal gesproken niet gepolariseerd, met andere woorden, de golven expanderen in praktisch elke richting binnen de lichtstraal. "Als het gepolariseerd is, de golf gaat maar in één richting; wanneer het circulair gepolariseerd is, roteert de golf, met de klok mee of tegen de klok in, " voegde de onderzoeker toe. "Chirale stoffen hebben de neiging om licht te absorberen met een specifieke circulaire polarisatie, in plaats van licht gepolariseerd in de tegenovergestelde richting."

Chiraliteit is een fenomeen dat op alle schalen voorkomt:op een chiraal object kan zijn spiegelbeeld niet worden gesuperponeerd; bijvoorbeeld, de ene hand is het spiegelbeeld van de andere, ze zijn identiek, maar als de ene over de andere wordt gelegd, de positie van de vingers valt niet samen. Hetzelfde gebeurt "in sommige biomoleculen; en het feit dat een molecuul niet op zijn spiegelbeeld kan worden geplaatst, geeft aanleiding tot veel biologische processen. sommige ziekten ontstaan ​​​​door het verlies van herkenning van een van de twee vormen van de chirale stof die verantwoordelijk is voor een specifieke actie, ' zei Liz-Marzán.

Driedimensionale fabricage op een nanometrisch object

Zoals de Ikerbaskische professor uitlegde, "Wat we hebben gedaan is zoeken naar een mechanisme om de afzetting van goudatomen op nanodeeltjes te leiden die van tevoren in de vorm van een staaf zijn gefabriceerd, zodat deze atomen worden afgezet volgens een praktisch spiraalvormige structuur, een soort 'nanoschroef'. Op die manier krijgt het deeltje zelf een chirale geometrie. Deze nieuwe strategie is gebaseerd op een supramoleculair chemisch mechanisme, met andere woorden, op structuren die zijn verkregen door moleculen die met elkaar associëren zonder chemische bindingen te vormen." Liz-Marzán stelt dat "dit echt betekent dat je de structuur van het materiaal op nanometrische schaal kunt controleren, maar binnen een en hetzelfde nanodeeltje; met andere woorden, het gaat om driedimensionale fabricage bovenop een nanometrisch object. In feite, het is bijna alsof je moet beslissen waar ze atoom voor atoom moeten worden geplaatst om een ​​echt gecompliceerde structuur te krijgen."

Om deze nanodeeltjes te laten groeien, "de cilindrische deeltjes zijn omgeven door zeepmoleculen, door een oppervlakteactieve stof. In het midden van de gewone zeepmoleculen hebben we additieven met moleculaire chiraliteit geplaatst, zodat de supramoleculaire interactie ervoor zorgt dat ze georganiseerd worden op het oppervlak van de metalen staaf met een bijna helicoïdale structuur, op zijn beurt de groei van het metaal leidend met diezelfde structuur die het de chiraliteit geeft die we zoeken. Als resultaat, we kunnen praktisch de grootste efficiëntie behalen die ooit is bereikt in spectrometrische detectie met circulair gepolariseerd licht."

Liz-Marzán bevestigde dat het proces kan worden gegeneraliseerd naar andere soorten materialen:"We hebben gezien dat wanneer dezelfde strategie wordt toegepast, platina-atomen kunnen worden afgezet op gouden nanostaafjes met dezelfde helicoïdale structuur. Een hele reeks mogelijkheden wordt dus geopend, zowel in toepassingen van hun optische eigenschappen als in andere op het gebied van katalyse (platina is een zeer efficiënte katalysator). Tegelijkertijd, it could lead to a huge improvement in the synthesis of chiral molecules that would be of biological and therapeutic importance." This mechanism could also be applied to new biomedical imaging techniques, for the manufacture of sensors, etc. "We believe that this work is going to open up many paths for other researchers precisely because of the generalization of the mechanism that can be used with many different molecules. A lot of work lies ahead, " hij zei.

The research was conducted and coordinated by CIC biomaGUNE, but they had the collaboration of research groups from other organizations. These include the Complutense University of Madrid (computer calculations showing the formation of the helicoidal structures when the two types of surfactants are blended), the University of Vigo and the University of Extremadura (theoretical calculations of the optical properties of the particles), and the University of Antwerp (obtaining of three-dimensional electron microscopy images and the animated reconstructions of the particles fabricated).

Mapping nano chirality in three dimensions

Essential to understanding the behavior of these complex nanoparticle assemblies is to intimately understand their structure. When handling such intricate three-dimensional morphologies, imaging in two dimensions simply will not do. The EMAT team lead by Prof. Sara Bals at the University of Antwerp is the world leading electron microscopy group for imaging nanoparticles in three dimensions. By taking a series of two-dimensional images collected at many viewing angles they can be combined with specially designed computer code to generate a three-dimensional representation of the particle. This is the so-called transmission electron tomography method, which is an essential tool in nanoscience, helping researchers from around the world to visualize nanoparticles and understand their structure and how they are formed.

The EMAT team has gone one step further to understand the origin of the chiral properties these unprecedented nanorods display. By developing a method to study the three-dimensional periodicity of the individual particles using a 3-D Fast Fourier Transform on the tomography previously obtained, repetitive patterns have been discovered in the structure. "The nanoparticles appeared to show a long-range chiral structure, but how can we identify this in a meaningful way to understand the nanoparticle's properties?" asks Prof. Bals. By mapping the periodic structure using this technique, a characteristic X-shape appeared within the 3-D FFT pattern. Scientists have seen this characteristic fingerprint before; in the revolutionary X-ray diffraction experiment leading to the discovery of the most known chiral structure—our DNA.

Using that characteristic pattern as an input, regions in the reconstruction with helicoidal features were identified. In aanvulling, "Our developed technique not only allows us to identify a chiral structure, but can also tell us the chiral handedness of each individual nanoparticle, " says Prof. Bals.

The preparation and characterization of such complex chiral nanoparticles is an important step in reaching a key scientific milestone. It was once believed that the complexity of biological superstructures could not be artificially prepared. Echter, with increasing understanding of nanostructure design and growth, scientists can prepare atom-by-atom designed materials that are tailor-made for a desired application, and in doing so—continuously push the frontier of material design.