(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van Berkeley Lab hebben "moleculair papier, " het grootste tweedimensionale polymeerkristal dat tot nu toe zelf in water is geassembleerd. Dit geheel nieuwe plaatmateriaal is gemaakt van peptoïden, gemanipuleerde polymeren die kunnen buigen en vouwen als eiwitten, terwijl de robuustheid van synthetische materialen behouden blijft.

Tweedimensionaal, "bladachtige" nanostructuren worden vaak gebruikt in biologische systemen zoals celmembranen, en hun unieke eigenschappen hebben interesse gewekt voor materialen zoals grafeen. Nutsvoorzieningen, Wetenschappers van Berkeley Lab hebben tot nu toe het grootste tweedimensionale polymeerkristal zelf-geassembleerd in water gemaakt. Dit geheel nieuwe materiaal weerspiegelt de structurele complexiteit van biologische systemen met de duurzame architectuur die nodig is voor membranen of integratie in functionele apparaten.

Deze zelf-assemblerende platen zijn gemaakt van peptoïden, gemanipuleerde polymeren die kunnen buigen en vouwen als eiwitten, terwijl ze de robuustheid van door de mens gemaakte materialen behouden. Elk vel is slechts twee moleculen dik en toch honderden vierkante micrometer groot - vergelijkbaar met 'moleculair papier' dat groot genoeg is om met het blote oog zichtbaar te zijn. Bovendien, in tegenstelling tot een typisch polymeer, elke bouwsteen in een peptoïde nanosheet is gecodeerd met structurele 'marching-orders' - wat suggereert dat de eigenschappen ervan precies kunnen worden aangepast aan een toepassing. Bijvoorbeeld, deze nanosheets kunnen worden gebruikt om de stroom van moleculen te regelen, of dienen als platform voor chemische en biologische detectie.

Deze fluorescentiemicroscoopbeelden tonen vrij zwevende peptoïde nanosheets in vloeistof. Elk peptoïdevel is slechts twee moleculen dik en toch tot honderden vierkante micrometer groot - een 'moleculair papier' dat groot genoeg is om met het blote oog zichtbaar te zijn.

"Onze bevindingen overbruggen de kloof tussen natuurlijke biopolymeren en hun synthetische tegenhangers, wat een fundamenteel probleem is in de nanowetenschap, ” zei Ronald Zuckermann, Directeur van de Biological Nanostructures Facility bij de Molecular Foundry. "We kunnen nu fundamentele sequentie-informatie van eiwitten vertalen naar een niet-natuurlijk polymeer, wat resulteert in een robuust synthetisch nanomateriaal met een atomair gedefinieerde structuur.”

De bouwstenen voor peptoïde polymeren zijn goedkoop, direct beschikbaar zijn en een hoge productopbrengst genereren, wat een enorm voordeel biedt ten opzichte van andere synthesetechnieken. Zuckermann, instrumenteel in het ontwikkelen van de unieke robotsynthesemogelijkheden van de Foundry, werkte samen met zijn team van co-auteurs om bibliotheken van peptoïde materialen te vormen. Na het screenen van vele kandidaten, het team kwam terecht op de unieke combinatie van polymeerbouwstenen die spontaan peptoïde nanosheets in water vormden.

Zuckermann en co-auteur Christian Kisielowski bereikten nog een primeur door de TEAM 0.5-microscoop van het National Center for Electron Microscopy (NCEM) te gebruiken om individuele polymeerketens in het peptoïde materiaal te observeren, bevestigt de precieze ordening van deze ketens in platen en hun ongekende stabiliteit terwijl ze tijdens beeldvorming worden gebombardeerd met elektronen.

“Het ontwerp van op de natuur geïnspireerde, functionele polymeren die kunnen worden geassembleerd tot membranen met grote laterale afmetingen markeren een nieuw hoofdstuk voor materiaalsynthese met directe impact op de strategisch relevante initiatieven van Berkeley Lab, zoals het Helios-project of Carbon Cycle 2.0, ', zei Kisielowski van NCEM. “De wetenschappelijke mogelijkheden die met deze prestatie gepaard gaan, dagen onze verbeelding uit, en zal ook helpen elektronenmicroscopie te verplaatsen naar directe beeldvorming van zachte materialen."

“Dit nieuwe materiaal is een opmerkelijk voorbeeld van moleculaire biomimicry op vele niveaus, en zal ongetwijfeld leiden tot vele toepassingen in de fabricage van apparaten, synthese en beeldvorming op nanoschaal, ', voegde Zuckermann eraan toe.

Dit onderzoek wordt gerapporteerd in een paper getiteld, "Vrij zwevende ultradunne tweedimensionale kristallen van sequentiespecifieke peptoïde polymeren, ” verschijnen in het tijdschrift Natuurmaterialen .