Синтезирована самая сложная микрочастица в мире

Природа даже без помощи человека способна создать сложнейшие частицы с остроконечными структурами в нано- и микромасштабах. Яркий тому пример — пыльца растений, вирусы и иммунные клетки. Самые сложные природные частицы — это кокколитофориды (Coccolithophoridophycidae), одноклеточный микропланктон. Это разновидность планктона диаметром несколько микрон, обычно не более 30 мкм, и один из главных «поставщиков» известняка в океанах и некоторых морях.

Чтобы лучше изучить закономерности, по которым эти частицы растут, исследователи пытаются воссоздать их рост в лабораторных условиях. Но до недавних пор не существовало формализованного метода измерения сложности полученных результатов.

Международная команда ученых под руководством исследователей из Мичиганского университета смогла создать синтетические микрочастицы, которые оказались сложнее даже самых сложных природных частиц. Также ученые исследовали закономерность возникновения ее сложной структуры и разработали способ ее определения. Работа опубликована в журнале Science.

Изготовленная из изогнутых нанолистов золота и цистеина остроугольная наночастица имеет максимально измеренную на сегодня сложность. Она поглощает ультрафиолетовый свет и излучает искривленные лучи в видимой части спектра. Изображение: Wenfeng Jiang, Kotov Lab, University of Michigan

«Миром правят числа, а умение четко описывать остроконечные формы и придавать им сложность позволяет нам использовать в своей работе при создании наночастиц новые инструменты, такие как искусственный интеллект и машинное обучение», – говорят руководители проекта.

Команда, в которую вошли исследователи из Университета Сан-Карлос и Университета Сан-Паулу в Бразилии, а также из Калифорнийского технологического института и Университета Пенсильвании, продемонстрировала, что созданные частицы оказались даже более сложными, чем кокколитофориды.

Вычислительное подразделение команды из Университета Сан-Карлос исследовало квантовые свойства частиц и силы, действующие на наноразмерные строительные блоки. Одним из ключевых свойств, которое решили использовать для усиления сложности, выступила хиральность (отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны). В конкретном случае для создания хиральности наноразмерные листы сульфида золота вращались по направлению и против часовой стрелки. Эти листы выступали строительными блоками для частиц цистеина, алифатической серосодержащей аминокислоты. 

Если нанолисты золота с цистеином спроектировать таким образом, чтобы они оставались плоскими, то результатом будет умеренно сложный дизайн, который исследователи назвали «каяком».Изображение: Wenfeng Jiang, Kotov Lab, University of Michigan

Также для усиления сложности команда работала над другими свойствами. Используя плоские наночастицы, ученые создали шипы, которые тоже были плоскими, а не круглыми. Кроме того, исследователи работали с электрически заряженными молекулами, чтобы наноразмерные компоненты гарантированно оказались встроены в более крупные частицы размером свыше нескольких сотен нанометров.

У таких сложных частиц есть практическое применение. Наноразмерные шипы на природных частицах не дают им слипаться друг с другом. По аналогии, шипы на частицах, созданных исследовательской группой, помогают им растворяться практически в любой жидкости — это свойство полезно для стабилизации твердых и жидких смесей, таких как краски. Также микрочастицы с закрученными шипами поглощают ультрафиолетовый свет и излучают световые пучки в видимом спектре. Авторы исследования говорят, что изучение этого свойства было одной из самых сложных частей работы. Это открытие поможет ученым сконструировать голографические проекторы, улучшенные биосенсоры и оптимизировать электронные устройства, а также сделать химические реакции более эффективными.