Dierlijke en plantaardige cellen zijn prominente voorbeelden van hoe de natuur steeds grotere eenheden construeert in een gerichte, voorgeprogrammeerde manier met moleculen als bouwstenen. Bij nanotechnologie is wetenschappers bootsen deze 'bottom-up'-techniek na door het vermogen van geschikt gestructureerde nanomaterialen te gebruiken om zichzelf te 'assembleren' in architecturen van hogere orde. Door dit concept toe te passen, polymeerwetenschappers uit Bayreuth, Aken, jena, Mainz, en Helsinki hebben onlangs een artikel gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuur dat een nieuw principe beschrijft voor de zelfassemblage van nanodeeltjes met patronen. Dit principe kan belangrijke implicaties hebben voor het fundamentele begrip van dergelijke processen en toekomstige technologieën.

Het onderzoeksteam staat onder leiding van professor Axel Müller, die tot zijn pensionering in 2012 houder was van de leerstoel Macromoleculaire Chemie II aan de Universiteit van Bayreuth; hij is nu een Fellow van het Gutenberg Research College aan de Universiteit van Mainz. De andere leden van het team zijn Dr. André Gröschel (voorheen aan de Universiteit van Bayreuth, nu Aalto Universiteit Helsinki), Tina Löbling en Dr. Holger Schmalz (Universiteit van Bayreuth), Dr. Andreas Walther (Interactive Materials Research Center aan de Universiteit van Aken), en Junior Professor Dr. Felix Schacher (Friedrich Schiller University Jena). Het onderzoek werd uitgevoerd aan de Universiteit van Bayreuth en gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG) binnen het Collaborative Research Center 840 "From Particulate Nano-Systems to Mesotechnology."

Het zelfmontageproces beschreven in Natuur begint met ketenachtige macromoleculen met een grootte in het bereik van 10 tot 20 nanometer. In de chemie, dergelijke macromoleculen worden triblokterpolymeren genoemd. Ze zijn samengesteld uit drie lineaire secties (blokken) die in volgorde met elkaar zijn verbonden. Ze worden gegenereerd met behulp van een speciaal synthetisch proces, d.w.z., de zogenaamde "levende polymerisatie, " en zijn direct beschikbaar voor onderzoekers. Het onderzoeksteam was in staat om de triblok-macromoleculen te leiden tot zachte nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 50 nanometer. De keuze van oplosmiddelen speelde een sleutelrol in dit macromoleculaire zelfassemblageproces. De oplosmiddelen waren nauwkeurig geselecteerd en zodanig gebruikt dat de variërende oplosbaarheid van de drie blokken en de onverenigbaarheid van de polymeren met elkaar significant bijdroegen aan de kwaliteit van de gewenste inwendige structuur van de nanodeeltjes.

De wetenschappers pasten deze techniek toe op twee soorten triblokterpolymeren. Deze verschilden met betrekking tot de chemische eigenschappen van de middenblokken. De bloksequenties van de macromoleculen waren A-B-C en A-D-C, respectievelijk. De eerste resulteert in nanodeeltjes met een enkele bindingsplaats en heeft de neiging om bolvormige clusters te vormen, terwijl de laatste nanodeeltjes creëert met twee bindingsplaatsen en dus de neiging heeft om lineaire superstructuren te vormen. belangrijk, in beide gevallen wordt de structuur van de nanodeeltjes voorgeprogrammeerd door de chemische structuur van het bronmacromolecuul op dezelfde manier als de structuur van een eiwit wordt bepaald door zijn aminozuursequentie.

Echter, het proces van zelfassemblage stopt niet bij de nanodeeltjes. Als de nanodeeltjes gevormd door elk type macromolecuul aan hun lot werden overgelaten, sferische bovenbouw zou aan de ene kant resulteren en lineaire bovenbouw aan de andere kant. Het team van Müller heeft een andere aanpak ontwikkeld en geïmplementeerd. De nanodeeltjes met één en twee bindingsplaatsen worden gemengd, zodat ze samen aggregeren tot een volledig nieuwe bovenbouw in een proces van co-assemblage. In de uiteindelijke bovenbouw de nanodeeltjes afkomstig van de A-B-C-moleculen en nanodeeltjes gevormd door de A-D-C-moleculen wisselen elkaar af in een nauwkeurig gedefinieerd patroon.

Wanneer bekeken onder een transmissie-elektronenmicroscoop, de nieuwe bovenbouw lijkt sterk op een rupslarve, omdat het ook bestaat uit een reeks duidelijk gescheiden, regelmatig bestelde secties. Het onderzoeksteam van Müller heeft daarom de term "rupsmicellen" bedacht voor dergelijke samengebouwde bovenbouw.

De onderzoeksresultaten die onlangs zijn gepubliceerd in Natuur vertegenwoordigen een doorbraak op het gebied van hiërarchische structurering en nano-engineering, omdat hiermee nieuwe materialen kunnen worden gemaakt door zelf-assemblerende voorgeprogrammeerde deeltjes. Dit kan een game changer zijn, omdat tot nu toe alleen top-down procedures, d.w.z., het extraheren van een microstructuur uit een groter complex, zijn algemeen aanvaarde structureringsprocessen. "De beperkingen van deze techniek zullen in de nabije toekomst maar al te duidelijk worden, ", legt Müller uit. "Slechts zelden is het mogelijk om complexe structuren in het nanometerbereik te genereren."

Echter, een bottom-up principe van zelfassemblage, gebaseerd op het principe dat in de natuur wordt toegepast, zou wel eens de beste weg vooruit kunnen zijn. Een factor die dit bijzonder aantrekkelijk maakt, is het grote aantal macromoleculen, die direct beschikbaar zijn als bouwstenen. Ze kunnen worden gebruikt om specifieke eigenschappen in de resulterende bovenbouw op te nemen, zoals gevoeligheid voor omgevingsstimuli (bijv. temperatuur, licht, elektrische en magnetische velden, enz.) of geef ze de mogelijkheid om ze naar believen in en uit te schakelen. Mogelijke toepassingen zijn onder meer nanolithografie en de afgifte van medicijnen waarbij het tijdstip en de plaats van afgifte van werkzame stoffen kunnen worden voorgeprogrammeerd. Hier, de overeenkomst met de structurele principes van dierlijke en plantaardige cellen wordt weer duidelijk, waar verschillende eigendommen zijn onderverdeeld in gebieden met beperkte ruimte.

De macromoleculen die verschillende functionele segmenten dragen, kunnen honderden keren kleiner zijn dan een micrometer. De superstructuren die dergelijke macromoleculen produceren, hebben een overeenkomstig hoge resolutie. "Toekomstige technologieën - zoals op maat gemaakte kunstmatige cellen, transistoren, of componenten voor micro/nano-robotica – kunnen aanzienlijk profiteren van deze bijzonder delicate structurering, ", legt Müller uit. "De onderzoeksresultaten die we in Natuur hebben nog geen directe toepassingen in de echte wereld. Hoe dan ook, hoe beter we bottom-up processen begrijpen, te beginnen met moleculen in het nanometerbereik en door te gaan naar de hogere hiërarchische niveaus in het micrometerbereik, hoe groter de kans dat toekomstige technologieën binnen ons bereik liggen." De rupsmicellen zijn zeker niet de enige superstructuren die kunnen worden geproduceerd met de zelfassemblerende nanodeeltjes. "Dergelijke zachte nanodeeltjes kunnen worden gecombineerd met anorganische of biologische nano- en microdeeltjes om voorheen onbekende materialen met specifieke functies. Het aantal mogelijke combinaties is praktisch eindeloos, ’ concludeerde Muller.