Wetenschap
Zelfassemblage van complexe systemen:zeshoekige bouwstenen zijn beter
Complexe systemen in de natuur bestaan, net als hun synthetische tegenhangers in de technologie, uit een groot aantal kleine componenten die uit zichzelf worden samengesteld door middel van moleculaire interacties. Een beter begrip krijgen van de principes en mechanismen van deze zelfassemblage is belangrijk voor de ontwikkeling van nieuwe toepassingen in domeinen als nanotechnologie en geneeskunde.
Professor Erwin Frey, voorzitter van Statistische en Biologische Fysica bij LMU en lid van het ORIGINS Excellence Cluster, en zijn onderzoekscollega Dr. Florian Gartner hebben nu een aspect van zelfassemblage onderzocht dat tot nu toe weinig aandacht heeft gekregen:welke rol speelt de vorm en het aantal mogelijke bindingen tussen deeltjes dat speelt?
Dat melden de onderzoekers in het tijdschrift Physical Review X laten hun resultaten zien dat hexagonale morfologieën (met andere woorden:zeszijdige structuren), zoals moleculen met zes bindingsplaatsen, ideaal zijn voor zelfassemblage.
Schaalfenomenen wekken de interesse van onderzoekers
"Toen we een algemeen model van zelfassemblage onderzochten, merkten we dat de montagetijd toenam met de grootte van de doelstructuur", vertelt Gartner. “Dit deed ons afvragen of de vorm van de deeltjes een aanzienlijke invloed zou kunnen hebben op hoe snel de benodigde montagetijd toeneemt met de grootte van de doelstructuur en dus hoe efficiënt de zelforganisatieprocessen kunnen zijn. Deze opschaling van de montagetijd met De grootte van de doelstructuur definieert wat wij de tijdscomplexiteit van zelfassemblage noemen."
Vanuit deze gedachte ontwikkelden de wetenschappers een wiskundig model om het gedrag van het systeem tijdens zelfassemblage te analyseren. Hun resultaten tonen aan dat de morfologie van de bouwstenen inderdaad een belangrijke rol speelt.
Door onder andere rekening te houden met de schaalbaarheid en kinetiek van de systemen, konden Frey en Gartner aantonen dat zeshoekige vormen aanzienlijke voordelen bieden bij zelfassemblage. De montage van constructies bestaande uit duizend bouwstenen kan bijvoorbeeld bijna vier ordes van grootte sneller gaan met zeshoekige bouwstenen vergeleken met driehoekige bouwstenen.
Dit zeshoekprincipe is algemeen van toepassing op de morfologie, die niet alleen de vorm van de deeltjes beschrijft, maar ook het aantal en de positionering van hun bindingen:zes mogelijke bindingen met aangrenzende deeltjes bleken ideaal te zijn bij het samenstellen van grotere structuren. Dit kunnen covalente bindingen, waterstofbrugbindingen, van der Waals-krachten en hydrofobe interacties zijn.
Er zijn ook overeenkomsten in de natuur voor dit patroon, zoals de zelfassemblage van virale capsiden. Dit proces begint met het samenstellen van kleine, driehoekige delen tot zeshoeken, die vervolgens samenkomen in vijfhoeken om de icosahedrale structuren van virale capsiden te vormen.
Potentiële toepassingen
Volgens de wetenschappers leveren hun resultaten waardevolle inzichten op voor de nanotechnologie. Het hexagonprincipe zou kunnen worden toegepast om de zelforganisatie van kleine structuren in grotere te optimaliseren – wat betreft de vorm van de bouwstenen of de mogelijkheid van bindingen en aangrenzende relaties met andere deeltjes. Door middel van hiërarchische zelfassemblage zou het bijvoorbeeld mogelijk kunnen zijn om in een eerste assemblagestap deeltjes te vormen met een bijzonder voordelige morfologie (zeshoeken bijvoorbeeld), om de efficiëntie van het gehele assemblageproces te verbeteren.
"Als je begrijpt welke morfologieën van de monomeren tot efficiënte zelfassemblage leiden, kun je deze vormen bewust selecteren en inefficiënte vormen vermijden die langzaam te assembleren zijn", legt Gartner uit. "Een voorbeeld van hoe deze strategie kan worden ingezet is de synthese van kunstmatige virale capsiden voor biomedische toepassingen."