Als het gaat om de verschillende nanowidgets die wetenschappers ontwikkelen, nanobuisjes zijn vooral intrigerend. Dat komt omdat holle buizen met een diameter van slechts enkele miljardsten van een meter het potentieel hebben om ongelooflijk nuttig te zijn, van het afleveren van kankerbestrijdende medicijnen in cellen tot het ontzilten van zeewater.

Maar het bouwen van nanostructuren is moeilijk. En het creëren van een grote hoeveelheid nanostructuren met dezelfde eigenschap, zoals miljoenen nanobuisjes met identieke diameters, is nog moeilijker. Dit soort precisiefabricage is nodig om de nanotechnologieën van morgen te creëren.

Er kan hulp onderweg zijn. Zoals online gemeld in de week van 28 maart in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences , onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een familie van op de natuur geïnspireerde polymeren ontdekt die, wanneer geplaatst in water, spontaan assembleren tot holle kristallijne nanobuisjes. Bovendien, de nanobuisjes kunnen zo worden afgestemd dat ze allemaal dezelfde diameter hebben tussen de vijf en tien nanometer, afhankelijk van de lengte van de polymeerketen.

De polymeren hebben twee chemisch verschillende blokken die dezelfde grootte en vorm hebben. De wetenschappers leerden dat deze blokken werken als moleculaire tegels die ringen vormen, die op elkaar stapelen om nanobuisjes te vormen tot 100 nanometer lang, allemaal met dezelfde diameter.

"Dit wijst op een nieuwe manier waarop we synthetische polymeren kunnen gebruiken om op een zeer precieze manier complexe nanostructuren te creëren, " zegt Ron Zuckermann, die de Biological Nanostructures Facility leidt in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, waar veel van dit onderzoek is gedaan.

Verschillende andere Berkeley Lab-wetenschappers hebben bijgedragen aan dit onderzoek, waaronder Nitash Balsara van de Materials Sciences Division en Ken Downing van de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division.

"Het creëren van uniforme structuren met een hoge opbrengst is een doel in nanotechnologie, " voegt Zuckermann toe. "Bijvoorbeeld, als je de diameter van nanobuisjes kunt regelen, en de chemische groepen blootgesteld in hun interieur, dan kunt u bepalen wat er doorgaat - wat kan leiden tot nieuwe filtratie- en ontziltingstechnologieën, om maar een paar voorbeelden te noemen."

Het onderzoek is het laatste in de poging om nanostructuren te bouwen die de complexiteit en functie van de eiwitten van de natuur benaderen, maar zijn gemaakt van duurzame materialen. In dit werk, de Berkeley Lab-wetenschappers bestudeerden een polymeer dat lid is van de peptoïdefamilie. Peptoïden zijn robuuste synthetische polymeren die peptiden nabootsen, die de natuur gebruikt om eiwitten te vormen. Ze kunnen op atomaire schaal worden afgestemd om specifieke functies uit te voeren.

De afgelopen jaren, de wetenschappers hebben een bepaald type peptoïde bestudeerd, een diblokcopolypeptoïde genoemd, omdat het zich bindt met lithiumionen en kan worden gebruikt als batterij-elektrolyt. Onderweg, ze ontdekten toevallig dat de verbindingen nanobuisjes in water vormen. Hoe deze nanobuisjes precies ontstaan, moet nog worden bepaald, maar dit laatste onderzoek werpt licht op hun structuur, en verwijst naar een nieuw ontwerpprincipe dat kan worden gebruikt om nanobuisjes en andere complexe nanostructuren te bouwen.

Diblock-copolypeptoïden zijn samengesteld uit twee peptoïde blokken, een die hydrofoob is en een die hydrofiel is. De wetenschappers ontdekten dat beide blokken kristalliseren wanneer ze elkaar ontmoeten in water, en vormen ringen bestaande uit twee tot drie individuele peptoïden. De ringen vormen dan holle nanobuisjes.

Cryo-elektronenmicroscopiebeeldvorming van 50 van de nanobuisjes toonde aan dat de diameter van elke buis zeer uniform is over de lengte, maar ook van buis tot buis. Deze analyse onthulde ook een gestreept patroon over de breedte van de nanobuisjes, wat aangeeft dat de ringen op elkaar stapelen om buizen te vormen, en sluit andere verpakkingsarrangementen uit. In aanvulling, men denkt dat de peptoïden zichzelf rangschikken in een baksteenachtig patroon, met hydrofobe blokken in lijn met andere hydrofobe blokken, en hetzelfde voor hydrofiele blokken.

"Beelden van de buizen vastgelegd door elektronenmicroscopie waren essentieel voor het vaststellen van de aanwezigheid van deze ongewone structuur, " zegt Balsara. "De vorming van buisvormige structuren met een hydrofobe kern is gebruikelijk voor synthetische polymeren gedispergeerd in water, dus we waren nogal verrast om de vorming van holle buizen zonder hydrofobe kern te zien."

Röntgenverstrooiingsanalyses uitgevoerd bij bundellijn 7.3.3 van de geavanceerde lichtbron onthulden nog meer over de structuur van de nanobuisjes. Bijvoorbeeld, het toonde aan dat een van de peptoïde blokken, die meestal amorf is, is eigenlijk kristallijn.

Opmerkelijk, de nanobuisjes assembleren zichzelf zonder de gebruikelijke nano-constructiehulpmiddelen, zoals elektrostatische interacties of waterstofbrugnetwerken.

"Je zou niet verwachten dat zoiets ingewikkelds zou kunnen worden gemaakt zonder deze krukken, ", zegt Zuckermann. "Maar het blijkt dat de chemische interacties die de nanobuisjes bij elkaar houden heel eenvoudig zijn. Wat hier speciaal is, is dat de twee peptoïde blokken chemisch verschillend zijn, toch bijna precies dezelfde maat, waardoor de kettingen op een zeer regelmatige manier in elkaar kunnen worden gepakt. Deze inzichten kunnen ons helpen bij het ontwerpen van bruikbare nanobuisjes en andere structuren die robuust en afstembaar zijn - en die uniforme structuren hebben."