Investigadores revelan un mecanismo para obtener ‘nano tornillos’ de metal

Dirigidos por el profesor Ikerbasque Luis Liz-Marzán, los investigadores del Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales CIC biomaGUNE han desarrollado un mecanismo por el cual los átomos de oro se depositan por medio de la reducción química en nanorods de oro previamente formados para producir una estructura cuasi-helicoidal (el las partículas adquieren quiralidad)

Esta geometría permite que estos “nano tornillos” interactúen con la luz polarizada circularmente de manera mucho más eficiente que lo que se logra con cualquier otro objeto conocido. Estas propiedades podrían conducir a la detección de biomoléculas de una manera muy selectiva y muy sensible. Lo que tenemos aquí es un mecanismo versátil y reproducible que es escalable para la fabricación de nanopartículas con fuerte actividad óptica quiral..

Hay muchos campos en los que la interacción entre la luz y el material se utiliza para detectar sustancias. Básicamente, la luz brilla sobre el material y se absorbe o refleja de forma muy brillante o muy selectiva, dependiendo del tamaño y la geometría de la partícula y el tipo de luz incidente. El grupo de investigación dirigido por Luis Liz-Marzán, que trabaja en el campo conocido como nanoplasmónicos, utiliza nanopartículas de metales nobles, como el oro o la plata, “porque la luz interactúa de manera especial con partículas de este tipo y tamaño”, explicó Liz -Marzán, Director Científico de CIC biomaGUNE. “En este caso, estudiamos la interacción entre estas nanopartículas de oro quirales y la luz polarizada circularmente”.

La luz no está normalmente polarizada, en otras palabras, las ondas se expanden prácticamente en cualquier orientación dentro del haz de luz. “Cuando está polarizada, la onda solo va en una dirección; cuando está polarizada circularmente, la onda gira, en sentido horario o antihorario”, agregó el investigador. “Las sustancias quirales tienden a absorber la luz con una polarización circular específica, en lugar de la luz polarizada en la dirección opuesta”.

La quiralidad es un fenómeno que ocurre en todas las escalas: un objeto quiral no puede tener su imagen especular superpuesta; Por ejemplo, una mano es la imagen especular de la otra, son idénticas, pero si una se superpone a la otra, la posición de los dedos no coincide. Lo mismo ocurre “en algunas biomoléculas; y el hecho de que una molécula no pueda superponerse en su imagen especular da lugar a muchos procesos biológicos. Por ejemplo, algunas enfermedades surgen debido a la pérdida de reconocimiento de una de las dos formas del quiral sustancia que es responsable de una acción específica “, dijo Liz-Marzán.

Fabricación tridimensional sobre un objeto nanométrico

Como explicó el profesor Ikerbasque, “lo que hemos hecho es buscar un mecanismo para guiar la deposición de átomos de oroen nanopartículas fabricadas de antemano en forma de una varilla para que estos átomos se depositen de acuerdo con una estructura prácticamente helicoidal, una especie de “nano tornillo”. De ese modo, la partícula adquiere una geometría quiral. Esta nueva estrategia se basa en un químico supramolecular mecanismo, en otras palabras, en estructuras obtenidas a través de moléculas que se asocian entre sí sin formar enlaces químicos “. Liz-Marzán afirma que “esto realmente significa ser capaz de controlar la estructura del material a escala nanométrica, pero dentro de una misma nanopartícula; en otras palabras, implica la fabricación tridimensional sobre un objeto nanométrico. En realidad de hecho, es casi como decidir dónde deben colocarse átomo por átomo para obtener una estructura realmente complicada “.

Para hacer crecer estas nanopartículas, “las partículas cilíndricas están rodeadas por moléculas de jabón, por un surfactante. En el medio de las moléculas de jabón ordinarias hemos colocado aditivos con quiralidad molecular, de modo que la interacción supramolecular hace que se organicen en la superficie de la varilla metálica con una estructura casi helicoidal, que a su vez guía el crecimiento del metal con esa misma estructura que le da la quiralidad que buscamos. Como resultado, podemos obtener prácticamente las mayores eficiencias jamás logradas en la detección espectrométrica con luz polarizada circularmente “.

Liz-Marzán confirmó que el proceso puede generalizarse a otros tipos de materiales: “Hemos visto que cuando se aplica la misma estrategia, los átomos de platino se pueden depositar en nanorods de oro con la misma estructura helicoidal. Se abre así una gran cantidad de posibilidades. tanto en aplicaciones de sus propiedades ópticas como en otras en el campo de la catálisis (el platino es un catalizador muy eficiente). Al mismo tiempo, podría conducir a una gran mejora en la síntesis de moléculas quirales que serían de naturaleza biológica y terapéutica. importancia.” Este mecanismo también podría aplicarse a las nuevas técnicas de imágenes biomédicas, para la fabricación de sensores, etc. ” Creemos que este trabajo abrirá muchos caminos para otros investigadores precisamente debido a la generalización del mecanismo que puede usarse con muchas moléculas diferentes. Queda mucho trabajo por delante “, dijo.

La investigación fue realizada y coordinada por CIC biomaGUNE, pero contaron con la colaboración de grupos de investigación de otras organizaciones. Estos incluyen la Universidad Complutense de Madrid (cálculos informáticos que muestran la formación de las estructuras helicoidales cuando se mezclan los dos tipos de tensioactivos), la Universidad de Vigo y la Universidad de Extremadura (cálculos teóricos de las propiedades ópticas de las partículas) y Universidad de Amberes (obtención de imágenes de microscopía electrónica tridimensional y las reconstrucciones animadas de las partículas fabricadas).

Mapeo de nano quiralidad en tres dimensiones

Esencial para comprender el comportamiento de estos complejos conjuntos de nanopartículas es comprender íntimamente su estructura. Cuando se manejan estas intrincadas morfologías tridimensionales, las imágenes en dos dimensiones simplemente no funcionarán. El equipo EMAT dirigido por la profesora Sara Bals de la Universidad de Amberes es el grupo líder mundial en microscopía electrónica para la obtención de imágenes de nanopartículas en tres dimensiones. Al tomar una serie de imágenes bidimensionales recopiladas en muchos ángulos de visión, se pueden combinar con un código de computadora especialmente diseñado para generar una representación tridimensional de la partícula. Este es el llamado método de transmisión de tomografía electrónica, que es una herramienta esencial en nanociencia, que ayuda a los investigadores de todo el mundo a visualizar nanopartículas y comprender su estructura y cómo se forman.

El equipo de EMAT ha ido un paso más allá para comprender el origen de las propiedades quirales que muestran estos nanorods sin precedentes. Al desarrollar un método para estudiar la periodicidad tridimensional de las partículas individuales usando una Transformada de Fourier rápida tridimensional en la tomografía obtenida previamente, se han descubierto patrones repetitivos en la estructura. “Las nanopartículas parecían mostrar una estructura quiral de largo alcance, pero ¿cómo podemos identificar esto de una manera significativa para comprender las propiedades de las nanopartículas?” pregunta el profesor Bals. Al mapear la estructura periódica utilizando esta técnica, apareció una forma de X característica dentro del patrón 3-D FFT. Los científicos han visto esta característica huella digital antes; en el revolucionario experimento de difracción de rayos X que condujo al descubrimiento de la estructura quiral más conocida: nuestro ADN.

Utilizando ese patrón característico como entrada, se identificaron regiones en la reconstrucción con características helicoidales. Además, “Nuestra técnica desarrollada no solo nos permite identificar una estructura quiral, sino que también nos puede decir la capacidad quiral de cada nanopartícula individual”, dice el profesor Bals.

La preparación y caracterización de tales nanopartículas quirales complejas es un paso importante para alcanzar un hito científico clave. Alguna vez se creyó que la complejidad de las superestructuras biológicas no podía prepararse artificialmente. Sin embargo, con una mayor comprensión del diseño y crecimiento de la nanoestructura, los científicos pueden preparar materiales diseñados átomo por átomo que están hechos a medida para una aplicación deseada y, al hacerlo, empujar continuamente la frontera del diseño de materiales.

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.