Een nieuwe gezamenlijke studie geleid door een onderzoeksteam van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy, Universiteit van Californië, Los Angeles en de Universiteit van Washington zouden ingenieurs nieuwe ontwerpregels kunnen bieden voor het maken van micro-elektronica, membranen en weefsels, en betere productiemethoden voor nieuwe materialen openstellen. Tegelijkertijd, het onderzoek, online gepubliceerd 6 december in het tijdschrift Wetenschap , helpt een wetenschappelijke theorie in stand te houden die al meer dan een eeuw onbewezen is.

Net zoals kinderen een regel volgen om na de pauze een enkele rij op een rij te zetten, sommige materialen gebruiken een onderliggende regel om rij voor rij op oppervlakken te assembleren, volgens de studie.

Nucleatie - die eerste vormingsstap - is alomtegenwoordig in geordende structuren in de natuur en technologie, van wolkendruppels tot kandijsuiker. Maar ondanks enkele voorspellingen die in de jaren 1870 werden gedaan door de Amerikaanse wetenschapper J. Willard Gibbs, onderzoekers discussiëren nog steeds over hoe dit basisproces gebeurt.

De nieuwe studie verifieert de theorie van Gibbs voor materialen die rij voor rij vormen. Onder leiding van UW-afgestudeerde student Jiajun Chen, werken bij PNNL, het onderzoek onthult het onderliggende mechanisme, die een fundamentele kennislacune opvult en nieuwe wegen opent in de materiaalwetenschap.

Chen gebruikte kleine eiwitfragmenten, peptiden genaamd, die specificiteit vertonen, of uniek toebehoren, naar een stoffelijk oppervlak. De UCLA-medewerkers hebben dergelijke materiaalspecifieke peptiden geïdentificeerd en gebruikt als controlemiddelen om nanomaterialen te dwingen tot bepaalde vormen te groeien, zoals die gewenst zijn bij katalytische reacties of halfgeleiderinrichtingen. Het onderzoeksteam deed de ontdekking terwijl ze onderzochten hoe een bepaald peptide - een met een sterke bindingsaffiniteit voor molybdeendisulfide - interageert met het materiaal.

"Het was pure serendipiteit, " zei PNNL-materiaalwetenschapper James De Yoreo, co-corresponderende auteur van het papier en Chen's doctoraal adviseur. "We hadden niet verwacht dat de peptiden zich zouden assembleren tot hun eigen sterk geordende structuren."

Dat kan zijn gebeurd omdat "dit peptide werd geïdentificeerd door een moleculair evolutieproces, " voegt co-corresponderende auteur Yu Huang toe, een professor in materiaalkunde en techniek aan de UCLA. "Het lijkt erop dat de natuur zijn weg vindt om het energieverbruik te minimaliseren en wonderen te doen."

De transformatie van vloeibaar water in vast ijs vereist het creëren van een vast-vloeibaar grensvlak. Volgens de klassieke kiemvormingstheorie van Gibbs, hoewel het veranderen van het water in ijs energie bespaart, het maken van de interface kost energie. Het lastige is de eerste start - dat is wanneer het oppervlak van het nieuwe ijsdeeltje groot is in vergelijking met zijn volume, het kost dus meer energie om een ​​ijsdeeltje te maken dan er wordt bespaard.

Gibbs' theorie voorspelt dat als de materialen in één dimensie kunnen groeien, wat rij voor rij betekent, zo'n energiestraf zou niet bestaan. Dan kunnen de materialen vermijden wat wetenschappers de nucleatiebarrière noemen en zijn ze vrij om zelf te assembleren.

Er is recent controverse geweest over de theorie van nucleatie. Sommige onderzoekers hebben bewijs gevonden dat het fundamentele proces eigenlijk complexer is dan in het model van Gibbs wordt voorgesteld.

Maar "deze studie laat zien dat er zeker gevallen zijn waarin de theorie van Gibbs goed werkt, " zei De Yoreo, die ook een UW-filiaalhoogleraar is in zowel scheikunde als materiaalwetenschappen en techniek.

Eerdere studies hadden al aangetoond dat sommige organische moleculen, inclusief peptiden zoals die in de Science-paper, kan zelf monteren op oppervlakken. Maar bij PNNL, De Yoreo en zijn team groeven dieper en vonden een manier om te begrijpen hoe moleculaire interacties met materialen hun kiemvorming en groei beïnvloeden.

Ze stelden de peptideoplossing bloot aan verse oppervlakken van een molybdeendisulfidesubstraat, het meten van de interacties met atoomkrachtmicroscopie. Vervolgens vergeleken ze de metingen met moleculaire dynamica-simulaties.

De Yoreo en zijn team stelden vast dat zelfs in de vroegste stadia, de peptiden gebonden aan het materiaal rij voor rij, barrièrevrij, precies zoals Gibbs' theorie voorspelt.

Dankzij de hoge beeldsnelheid van de atoomkrachtmicroscopie konden de onderzoekers de rijen zien zoals ze zich vormden. De resultaten toonden aan dat de rijen vanaf het begin waren geordend en met dezelfde snelheid groeiden, ongeacht hun grootte - een belangrijk bewijsstuk. Ze vormden ook nieuwe rijen zodra er genoeg peptide in de oplossing was om bestaande rijen te laten groeien; dat zou alleen gebeuren als rijvorming barrièrevrij is.

Dit rij-voor-rij-proces geeft aanwijzingen voor het ontwerp van 2D-materialen. Momenteel, om bepaalde vormen te vormen, ontwerpers moeten systemen soms ver uit balans brengen, of balans. Dat is moeilijk te controleren, zei De Yoreo.

"Maar in 1-D, de moeilijkheid om dingen in een geordende structuur te krijgen, verdwijnt, "De Yoreo voegde eraan toe. "Dan kun je bijna in evenwicht opereren en toch deze structuren laten groeien zonder de controle over het systeem te verliezen."

Het zou de assemblageroutes voor die technische micro-elektronica of zelfs lichaamsweefsels kunnen veranderen.

Het team van Huang aan de UCLA heeft nieuwe mogelijkheden aangetoond voor apparaten op basis van 2D-materialen die zijn geassembleerd door middel van interacties in een oplossing. Maar ze zei dat de huidige handmatige processen die worden gebruikt om dergelijke materialen te construeren, beperkingen hebben. inclusief opschalingsmogelijkheden.

"Nu met het nieuwe begrip, we kunnen beginnen met het benutten van de specifieke interacties tussen moleculen en 2D-materialen voor automatische assemblageprocessen, " zei Huang.

De volgende stap, zei De Yoreo, is om kunstmatige moleculen te maken die dezelfde eigenschappen hebben als de peptiden die in het nieuwe artikel worden bestudeerd, alleen robuuster.

Bij PNNL, De Yoreo en zijn team kijken naar stabiele peptoïden, die net zo gemakkelijk te synthetiseren zijn als peptiden, maar beter bestand zijn tegen de temperaturen en chemicaliën die worden gebruikt in de processen om de gewenste materialen te construeren.