能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (PNNL) 和華盛頓大學(xué) (UW) 的研究人員成功設(shè)計(jì)了一種仿生分子，可以引導(dǎo)金原子形成完美的納米級(jí)恒星。這項(xiàng)工作是朝著理解和控制金屬納米顆粒形狀和創(chuàng)造具有可調(diào)特性的先進(jìn)材料邁出的重要一步。

PNNL 高級(jí)研究科學(xué)家、UW 化學(xué)工程和化學(xué)副教授、UW-PNNL 教員陳春龍說(shuō)，金屬納米材料具有有趣的光學(xué)特性，稱(chēng)為等離子體特性。特別是，已知星形金屬納米材料具有獨(dú)特的增強(qiáng)功能，可用于傳感和檢測(cè)病原菌，以及其他國(guó)家安全和健康應(yīng)用。

為了制造這些引人注目的納米粒子，該團(tuán)隊(duì)仔細(xì)調(diào)整了類(lèi)肽序列，這是一種可編程的類(lèi)蛋白質(zhì)合成聚合物。“類(lèi)肽在實(shí)現(xiàn)分子水平控制方面提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，”陳說(shuō)。在這種情況下，擬肽引導(dǎo)小金顆粒附著和放松，形成更大的五重孿晶，同時(shí)還穩(wěn)定了晶體結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面。他們的方法受到大自然的啟發(fā)，在大自然中，蛋白質(zhì)可以控制具有高級(jí)功能的材料的創(chuàng)造。

Jim De Yoreo 和 Biao Jin 使用先進(jìn)的原位透射電子顯微鏡 (TEM) 在納米尺度上“觀察”恒星在溶液中的形成。該技術(shù)既提供了對(duì)擬肽如何引導(dǎo)過(guò)程的深入機(jī)械理解，也揭示了粒子附著和小平面穩(wěn)定在控制形狀中的作用。De Yoreo 是 PNNL 的 Battelle 研究員和威斯康星大學(xué)材料科學(xué)與工程系的附屬教授，而 Jin 是 PNNL 的博士后研究員。

在組裝了他們的納米級(jí)星座后，研究人員隨后利用分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)捕捉實(shí)驗(yàn)中無(wú)法收集到的細(xì)節(jié)水平，并闡明為什么特定的擬肽控制了完美恒星的形成。Jim Pfaendtner 教授小組的化學(xué)工程博士后研究員 Xin Qi 在威斯康星大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作。Qi 使用 UW 的 Hyak 超級(jí)計(jì)算機(jī)集群來(lái)模擬幾種不同的擬肽和粒子表面之間的界面現(xiàn)象。

模擬在學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)以獨(dú)特方式吸收和散射光的等離子體納米材料方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。“你需要在分子水平上理解才能形成這種具有有趣等離子體特性的漂亮星形粒子，”陳說(shuō)。模擬可以圍繞為什么某些擬肽創(chuàng)建某些形狀建立理論理解。

研究人員正在努力實(shí)現(xiàn)模擬指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)希望在一個(gè)循環(huán)中能夠預(yù)測(cè)合成具有所需等離子體增強(qiáng)的納米材料。在這方面，他們希望首先使用計(jì)算工具來(lái)識(shí)別具有所需面選擇性的擬肽側(cè)鏈和序列。然后，他們將采用最先進(jìn)的原位成像技術(shù)，例如液體細(xì)胞 TEM，來(lái)監(jiān)測(cè)直接的刻面表達(dá)、穩(wěn)定性和粒子附著。換句話說(shuō)，陳說(shuō)，“如果有人能告訴我們等離子體納米材料的結(jié)構(gòu)具有有趣的光學(xué)特性，我們可以使用基于類(lèi)肽的方法來(lái)預(yù)測(cè)嗎?”

雖然他們還沒(méi)有到那個(gè)地步，但這項(xiàng)成功的實(shí)驗(yàn)計(jì)算工作無(wú)疑讓他們更接近了。此外，團(tuán)隊(duì)持續(xù)合成漂亮星形的能力是重要的一步。更均勻的粒子轉(zhuǎn)化為更可預(yù)測(cè)的光學(xué)特性。