Nanostructuren die zichzelf samenstellen uit polymeermoleculen kunnen nuttige hulpmiddelen blijken te zijn in de chemie en de industrie. Echter, het is moeilijk om structureel robuuste zelfassemblerende materialen te ontwikkelen omdat ze vaak nadelig worden beïnvloed door hun omgeving.

Veel natuurlijke organismen zijn geëvolueerd om zichzelf te beschermen in vijandige omgevingen. Bijvoorbeeld, soorten archaea - eencellige micro-organismen die in warmwaterbronnen leven - hebben cyclische moleculen in hun celmembranen die schilden vormen om de cel onder extreme hitte te bewaren.

Geïnspireerd door het gebruik van cyclische structuren in de natuur, Takuya Yamamoto en medewerkers van de afdeling Organische en Polymere Materialen, Tokio Instituut voor Technologie, hebben zowel de thermische als de zoutstabiliteit van zelfassemblerende polymere structuren drastisch verbeterd, simpelweg door de vorm van de grondvormende polymeren te veranderen van lineair in cyclisch.

Het team ontwierp nieuwe blokcopolymeren - structuren bestaande uit verschillende polymeren die verbonden zijn door covalente bindingen - die zichzelf assembleerden tot vormen die micellen worden genoemd (Fig.1). Micellen hebben een hydrofiel (wateraantrekkend) buitenmembraan, en een hydrofobe (waterafstotende) kern.

"We hebben een cyclisch amfifiel blokcopolymeer ontworpen door vetmoleculen in het celmembraan van archaea na te bootsen, " legt Yamamoto uit. "Zowel lineaire als cyclische copolymeren werden vervolgens gebruikt om identieke zelfassemblerende bloemvormige micellen te creëren." Het team ontdekte dat hoewel de chemische samenstelling, concentratie en afmetingen van micellen opgebouwd uit de twee verschillend gevormde blokcopolymeren bleven hetzelfde, de op cyclische gebaseerde micellen waren bestand tegen hogere temperaturen.

"De micel van cyclische blokcopolymeren weerstond temperaturen tot 40°C hoger dan de lineair gebaseerde micellen, " legt Yamamoto uit. De onderzoekers ontdekten dat de staartuiteinden van de lineaire copolymeren meer kans hadden om los te komen van de bloemvormige structuur tijdens verwarming, waardoor overbrugging tussen micellen kan plaatsvinden. Dit betekende dat de micellen bij een relatief lage temperatuur samenkomen in een agglomeraatklodder. De micellen gecreëerd door de cyclische copolymeren, anderzijds, had geen 'losse eindjes' om bruggen te vormen, wat betekent dat de structuren stabiel bleven tot veel hogere temperaturen.

Dezelfde structurele verschillen zorgen voor een grotere tolerantie van zoutconcentraties in de cyclische micellen. De losse staarten in lineair gebaseerde micellen maakten snelle uitdroging mogelijk in zeer zoute omgevingen, overwegende dat de gesloten cyclische structuren structureel sterker zijn, waardoor ze beter bestand zijn tegen zout.

"De combinatie van hogere uitzoutconcentraties en thermische weerstand betekent dat deze micellen tal van potentiële toepassingen hebben, " legt Yamamoto uit. " Mogelijkheden zijn onder meer medicijnafgiftesystemen, waar verwarming niet mogelijk is en zout een alternatieve methode biedt om te controleren hoe een micel reageert om een ​​medicijn af te geven." Het team hoopt ook dat hun micellen de basis kunnen vormen voor veel nieuwe materialen op het gebied van groene chemie, omdat hun structurele robuustheid puur gebaseerd is op hun vorm in plaats van op complexe chemische reacties.