Onderzoekers van de University of Illinois en Northwestern University hebben bio-geïnspireerde structuren gedemonstreerd die zichzelf assembleren uit eenvoudige bouwstenen:bollen.

De spiraalvormige "supermoleculen" zijn gemaakt van kleine colloïde balletjes in plaats van atomen of moleculen. Soortgelijke methoden kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te maken met de functionaliteit van complexe colloïdale moleculen. Het team zal zijn bevindingen publiceren in het 14 januari nummer van het tijdschrift Wetenschap .

"We kunnen nu een hele nieuwe klasse slimme materialen maken, die de deur opent naar nieuwe functionaliteit die we ons voorheen niet konden voorstellen, " zei Steve Granick, Oprichter Professor of Engineering aan de Universiteit van Illinois en een professor in materiaalwetenschap en techniek, scheikunde, en natuurkunde.

Het team van Granick ontwikkelde kleine latexbolletjes, genaamd "Janus bollen, " die elkaar aan één kant in het water aantrekken, maar stoten elkaar aan de andere kant af. De dubbele aard geeft de sferen hun vermogen om ongebruikelijke structuren te vormen, op een vergelijkbare manier als atomen en moleculen.

Op zuiver water, de deeltjes verspreiden zich volledig omdat hun geladen zijden elkaar afstoten. Echter, wanneer zout aan de oplossing wordt toegevoegd, de zoutionen verzachten de afstoting, zodat de bollen voldoende dicht bij elkaar kunnen komen om hun hydrofobe uiteinden aan te trekken. De aantrekkingskracht tussen die uiteinden trekt de bollen samen in clusters.

Bij lage zoutconcentraties, kleine clusters van slechts een paar deeltjes vormen. Op hogere niveaus, grotere clusters vormen, uiteindelijk zelfassemblerend in kettingen met een ingewikkelde spiraalvormige structuur.

"Net zoals atomen uitgroeien tot moleculen, deze deeltjes kunnen uitgroeien tot supracolloïden, Granick zei. "Dergelijke routes zouden heel conventioneel zijn als we het hadden over atomen en moleculen die chemisch met elkaar reageren, maar mensen hebben zich niet gerealiseerd dat deeltjes zich ook op deze manier kunnen gedragen."

Het team ontwierp bollen met precies de juiste hoeveelheid aantrekkingskracht tussen hun hydrofobe helften, zodat ze aan elkaar zouden blijven kleven, maar toch dynamisch genoeg waren om beweging mogelijk te maken. herschikking, en clustergroei.

"De hoeveelheid plakkerigheid doet er echt toe. Je kunt eindigen met iets dat ongeordend is, alleen kleine clusters, of als de bollen te plakkerig zijn, je eindigt met een bolvormige puinhoop in plaats van deze prachtige structuren, " zei afgestudeerde student Jonathan Whitmer, een co-auteur van het artikel.

Een van de voordelen van de supermoleculen van het team is dat ze groot genoeg zijn om in realtime te observeren met een microscoop. De onderzoekers waren in staat om de Janus-bollen samen te zien komen en de clusters te zien groeien - of het nu één bol per keer is of door te fuseren met andere kleine clusters - en herschikken in verschillende structurele configuraties die het team isomeren noemt.

"We ontwerpen deze slimme materialen om in bruikbare vormen te vallen die de natuur niet zou kiezen, ' zei Granick.

Verrassend genoeg, theoretische berekeningen en computersimulaties door Erik Luijten, Northwestern University hoogleraar materiaalkunde en engineering en technische wetenschappen en toegepaste wiskunde, en Whitmer, een student in zijn groep, toonde aan dat de meest voorkomende spiraalvormige structuren niet de meest energetisch gunstige zijn. Liever, de sferen komen samen op een manier die kinetisch het meest gunstig is - dat wil zeggen, de eerste goede match die ze tegenkomen.

Volgende, de onderzoekers hopen door te gaan met het verkennen van de colloïde eigenschappen met het oog op het construeren van meer onnatuurlijke structuren. Janus-deeltjes van verschillende groottes of vormen zouden de deur kunnen openen naar het bouwen van andere supermoleculen en naar meer controle over hun vorming.

"Deze specifieke deeltjes hebben voorkeursstructuren, maar nu we ons het algemene mechanisme realiseren, we kunnen het toepassen op andere systemen - kleinere deeltjes, verschillende interacties – en probeer clusters te ontwerpen die van vorm veranderen, ' zei Granick.