Investigadores del Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales CIC biomaGUNE han desarrollado, bajo la dirección del profesor Ikerbasque Luis Liz Marzán, un mecanismo mediante el cual se depositan átomos de oro por reducción química sobre nanocilindros de oro formados previamente, obteniendo una estructura cuasihelicoidal con forma de tornillo.

Las partículas adquieren así quiralidad, la propiedad de un objeto de no ser superponible con su imagen especular, con multitud de aplicaciones. La técnica, cuyos detalles se publican en la revista Science, es versátil, reproducible para otros metales y escalable para la fabricación de nanopartículas con gran actividad óptica quiral.

Se depositan átomos de oro sobre nanocilindros también de oro, obteniendo una estructura casi helicoidal con forma de tornillo, una técnica escalable con aplicaciones ópticas, catalíticas, en detección biológica e imagen biomédica

En concreto, esta geometría permite a los ‘nanotornillos’ interaccionar con luz con una polarización circular de una manera mucho más eficiente que la que se consigue con cualquier otro objeto conocido. Este avance podría llevar a detectar biomoléculas de una forma muy selectiva y muy sensible, con aplicaciones en biología o medicina, por ejemplo.

Son muchos los campos en los que se utiliza la interacción entre la luz y la materia para la detección de sustancias. Básicamente, la luz incide en la materia, y es absorbida o reflejada de una forma intensa y muy selectiva en función del tamaño y la geometría de la partícula y del tipo de luz incidente.

“Dentro de un campo conocido como nanoplasmónica, utilizamos nanopartículas de metales nobles, como el oro y la plata, porque la luz interacciona de una forma especial con este tipo de partículas en estas dimensiones”, explica Liz Marzán, “y en este caso, estudiamos la interacción de estas nanopartículas de oro quirales con luz que tiene polarización circular”.

Interactúa con la luz polarizada circularmente

Normalmente la luz no está polarizada, es decir, las ondas se expanden prácticamente en cualquier orientación dentro del haz de luz. “Pero cuando va polarizada, la onda solamente va en una dirección, y si lo hace circularmente la onda rota, bien en el sentido de las agujas del reloj o bien en sentido contrario ­–continúa el profesor–. Las sustancias quirales pueden absorber preferentemente luz de una polarización circular determinada, respecto de la opuesta”.

La quiralidad es un fenómeno que ocurre en todas las escalas. Un objeto quiral y su imagen especular no se pueden superponer, sean nuestras dos manos o biomoléculas.

En el caso del nanotornillo’, "la partícula en sí misma adquiere una geometría quiral, y esta nueva estrategia se basa en un mecanismo de química supramolecular, es decir, en estructuras obtenidas por asociación de moléculas entre sí, sin formar enlaces químicos”, señala Liz Marzán.

El profesor, también miembro del CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), afirma que esto "significa llegar a controlar la estructura de la materia en escala nanometrica, pero dentro de una misma nanopartícula; es decir, se trata de fabricación tridimensional por encima de un objeto nanométrico. Realmente es casi decidir átomo a átomo dónde se han de colocar, para obtener una estructura que es realmente complicada”.

Para hacer crecer estas nanopartículas, “las cilíndricas iniciales están rodeadas de moléculas de jabón o surfactante–aclara el experto–, y en medio hemos colocado aditivos con quiralidad molecular, de forma que la interacción supramolecular provoca su organización sobre la superficie del cilindro metálico con una estructura aproximadamente helicoidal, dirigiendo a su vez el crecimiento del metal con esa misma estructura, que le confiere la quiralidad que buscamos. Como resultado, obtenemos prácticamente las mayores eficiencias de detección espectrométrica con luz de polarización circular conseguidas hasta ahora”.

Multitud de aplicaciones

Liz Marzán afirma que el proceso puede generalizarse a otros tipos de materiales: “Hemos observado que aplicando la misma estrategia se pueden depositar átomos de platino sobre nanocilindros de oro con la misma estructura helicoidal. Se abren así muchas posibilidades tanto de aplicaciones de sus propiedades ópticas como otras en el campo de la catálisis (el platino es un catalizador muy eficiente). Asimismo, puede dar lugar a mejorar enormemente la síntesis de moléculas quirales que puedan tener relevancia biológica y terapéutica”.

Los investigadores controlan la estructura de la materia a escala nanometrica dentro de una misma nanopartícula, es decir, una fabricación 3D sobre el nanoobjeto, decidiendo donde colocar cada átomo para obtener la nanoestructura

Asimismo, este mecanismo se podría aplicar para nuevas técnicas de imagen biomédica, para fabricación de sensores, etc. Los autores están convencidos de que este trabajo va a abrir muchos caminos para otros investigadores, debido a la generalización del mecanismo que puede utilizarse con muchas moléculas diferentes.

La investigación ha sido desarrollada y coordinada por CIC biomaGUNE, pero han contado con la colaboración de grupos de investigación de otras entidades, entre las que se encuentran la Universidad Complutense de Madrid (cálculos computacionales y modelado de los medios coloidales en los que se ha elaborado la síntesis de las nanopartículas quirales de oro) la Universidad de Vigo y la Universidad de Extremadura (cálculos teóricos de las propiedades ópticas de las partículas) y de la Universidad de Amberes, en Bélgica (obtención de imágenes de microscopía electrónica tridimensional y reconstrucción animada de las partículas fabricadas).

Referencia:

Guillermo González-Rubio, Jesús Mosquera, Vished Kumar, Adrián Pedrazo-Tardajos, Pablo Llombart, Diego M. Solís, Ivan Lobato, Eva G. Noya, Andrés Guerrero-Martínez, José M. Taboada, Fernando Obelleiro, Luis González MacDowell, Sara Bals, Luis M. Liz-Marzán. “Micelle-directed chiral seeded-growth on anisotropic gold nanocrystals”. Science, junio de 2020. DOI: 10.1126/science.aba0980