(PhysOrg.com) -- Organische nanostructuren zijn sleutelelementen van nanotechnologie omdat deze bouwstenen kunnen worden gemaakt met op maat gemaakte chemische eigenschappen. Hun nadeel was dat hun mechanische eigenschappen tot dusver aanzienlijk slechter waren dan die van metalen nanostructuren.

Ehud Gazit, Itay Rousso, en een team van de Universiteit van Tel Aviv, het Weizmann Institute of Science en de Ben-Gurion University of the Negev (Israël) hebben nu organische nanosferen geïntroduceerd die zo stijf zijn als metaal. Zoals de wetenschappers in het tijdschrift rapporteren Angewandte Chemie , het zijn interessante componenten voor ultrarigide biocomposietmaterialen.

Biologische structuren op nanoschaal vertonen vaak unieke mechanische eigenschappen; bijvoorbeeld spinzijde is 25 keer zo sterk als staal in gewicht. De meest rigide synthetische organische materialen die tot nu toe bekend zijn, zijn aramides, zoals Kevlar. Hun geheim is een speciale ruimtelijke ordening van hun aromatische ringsystemen en het netwerk van interacties tussen hun vlakke amidebindingen. De nieuwe nanobolletjes zijn gebaseerd op een vergelijkbaar constructieprincipe. Echter, in tegenstelling tot de grote polymere ketens, ze worden gevormd in een zelforganisatieproces uit zeer eenvoudige moleculen op basis van aromatische dipeptiden van het aminozuur fenylalanine.

Met behulp van een atoomkrachtmicroscoop, de wetenschappers onderzochten de mechanische eigenschappen van hun nanosferen. Dit apparaat maakt gebruik van een nanotip (cantilever), een kleine flexibele hefboom met een zeer fijne punt aan het uiteinde. Wanneer deze tip tegen een monster wordt gedrukt, de doorbuiging van de hendel geeft aan of de punt van de naald in het monstervoorwerp kan drukken en hoe ver erin kan gaan. Een metalen naald kon geen indruk maken op de nanobolletjes; alleen een naald gemaakt van diamant was in staat om het te doen. De onderzoekers gebruikten deze metingen om de elasticiteitsmodulus (Young's modulus) voor de nanosferen te berekenen. Deze waarde is een maat voor de stijfheid van een materiaal. Hoe groter de waarde, hoe meer weerstand een materiaal heeft tegen zijn vervorming. Door gebruik te maken van een scanning-elektronenmicroscoop met hoge resolutie, uitgerust met een nanomanipulator, het was mogelijk om de vervorming van de bollen direct te observeren.

Voor de nanosferen geldt het team mat een opmerkelijk hoge elasticiteitsmodulus (275 GPa), die hoger is dan veel metalen en vergelijkbaar met de waarden die voor staal worden gevonden. Dit maakt deze nanostructuren tot nu toe de stijfste organische moleculen; ze kunnen zelfs aramides verduisteren. Naast uitstekende mechanische eigenschappen, de nanosferen zijn ook transparant. Dit maakt ze ideale elementen voor de versterking van ultrarigide biocomposietmaterialen, zoals versterkte kunststoffen voor implantaten of materialen voor tandvervanging, ruimtevaart, en andere toepassingen die goedkope, lichtgewicht materialen met hoge stijfheid en ongewone stabiliteit.