(Phys.org) -- Hoewel het relatief eenvoudig is om een ​​box op macroschaal te bouwen, het is veel uitdagender op kleinere lengteschalen van micro- en nanometers. Bij die maten driedimensionale (3-D) constructies zijn te klein om door een machine te worden geassembleerd en moeten worden geleid om zelfstandig te monteren. En nu, interdisciplinair onderzoek door ingenieurs aan de Johns Hopkins University in Baltimore, MD, en wiskundigen aan de Brown University in Providence, RI, heeft geleid tot een doorbraak die aantoont dat veelvlakken van hogere orde zich inderdaad kunnen opvouwen en in elkaar zetten.

"Wat hier opmerkelijk is, is niet alleen dat een structuur uit zichzelf opvouwt, maar dat het opvouwt tot een heel precies, driedimensionale vorm, en het gebeurt zonder pincet of menselijke tussenkomst, " zegt David Gracias, een chemisch en biomoleculair ingenieur bij Johns Hopkins. "Net zoals de natuur alles van onderaf samenbrengt, van zeeschelpen tot edelstenen, het idee van zelfassemblage belooft een nieuwe manier om objecten van onderaf te vervaardigen."

Met steun van de National Science Foundation (NSF), Gracias en Govind Menon, een wiskundige aan de Brown University, ontwikkelen zelfassemblerende 3D micro- en nanostructuren die in een aantal toepassingen kunnen worden gebruikt, inclusief medicijnen.

Het team van Menon bij Brown begon met het ontwerpen van deze kleine 3D-structuren door ze eerst plat te maken. Ze werkten met een aantal vormen, zoals 12-zijdige onderling verbonden panelen, die mogelijk in een dodecaëdervormige container kan worden gevouwen. "Stel je voor dat je het in stukken snijdt en de gezichten vlak maakt terwijl je verder gaat, "zegt Menon. "Het is een tweedimensionale ontvouwing van het veelvlak."

En niet alle platte vormen zijn gelijk gemaakt; sommige vouwen beter dan andere. "De beste zijn degenen die het meest compact zijn. Er zijn 43, 380 manieren om een ​​dodecaëder te vouwen, " merkt Menon op.

De onderzoekers ontwikkelden een algoritme om alle mogelijke keuzes te doorzoeken, het veld versmallen tot een paar compacte vormen die gemakkelijk in 3D-structuren kunnen worden gevouwen. Het team van Menon stuurde die ontwerpen naar Gracias en zijn team bij Johns Hopkins die de vormen bouwden, en valideerde de hypothese.

"We deponeren een materiaal tussen de vlakken en de randen, en dan opwarmen, die oppervlaktespanning creëert en de randen naar elkaar toe trekt, de structuur dichtsmelten, " legt Gracias uit. "De hoek tussen aangrenzende panelen in een dodecaëder is 116,6 graden en in ons proces, vijfhoekige panelen worden precies uitgelijnd op deze opmerkelijk precieze hoeken en sluiten zichzelf af; allemaal op zichzelf."

"Het tijdperk van miniaturisatie belooft een revolutie teweeg te brengen in ons leven. We kunnen deze veelvlakken van veel verschillende materialen maken, zoals metalen, halfgeleiders en zelfs biologisch afbreekbare polymeren voor een reeks optische, elektronische toepassingen en toepassingen voor medicijnafgifte, " vervolgt Gracias. "Bijvoorbeeld, er is een behoefte in de geneeskunde om slimme deeltjes te maken die zich kunnen richten op specifieke tumoren, specifieke ziekte, zonder medicijnen af ​​te geven aan de rest van het lichaam, wat de bijwerkingen beperkt."

Stelt u zich eens duizenden nauwkeurig gestructureerde, klein, biologisch afbreekbaar, dozen die door de bloedbaan razen op weg naar een ziek orgaan. Als ze eenmaal op hun bestemming zijn aangekomen, ze kunnen medicijnen vrijgeven met uiterste nauwkeurigheid. Dat is de visie voor de toekomst. Voor nu, de meest directe zorg is om het ontwerp van de constructies precies goed te krijgen, zodat ze met hoge opbrengsten kunnen worden vervaardigd.

"Ons proces is ook compatibel met de fabricage van geïntegreerde schakelingen, dus we stellen ons voor dat we het kunnen gebruiken om op silicium gebaseerde logica en geheugenchips op de gezichten van 3D-veelvlakken te plaatsen. Onze methodologie opent de deur naar het creëren van echt driedimensionale 'slimme' en multifunctionele deeltjes op zowel micro- als nanolengteschalen, ' zegt Gracias.