Zelfmontage is alomtegenwoordig in de natuurlijke wereld, dienen als een route om georganiseerde structuren te vormen in elk levend organisme. Dit fenomeen is te zien, bijvoorbeeld, wanneer twee strengen DNA - zonder enige prikkeling of begeleiding van buitenaf - samenkomen om een ​​dubbele helix te vormen, of wanneer grote aantallen moleculen worden gecombineerd om membranen of andere vitale cellulaire structuren te creëren. Alles gaat naar zijn rechtmatige plaats zonder dat een onzichtbare bouwer alle stukjes bij elkaar hoeft te brengen, een per keer.

De afgelopen paar decennia heeft wetenschappers en ingenieurs hebben het voorbeeld van de natuur gevolgd, moleculen ontwerpen die zichzelf in water assembleren, met als doel het maken van nanostructuren, voornamelijk voor biomedische toepassingen zoals medicijnafgifte of tissue engineering. "Deze materialen op basis van kleine moleculen hebben de neiging vrij snel af te breken, " legt Julia Ortony uit, assistent-professor bij MIT's Department of Materials Science and Engineering (DMSE), "en ze zijn chemisch onstabiel, te. De hele structuur valt uit elkaar als je het water verwijdert, vooral wanneer enige vorm van externe kracht wordt toegepast."

Zij en haar team, echter, hebben een nieuwe klasse van kleine moleculen ontworpen die spontaan samengroeien tot nanolinten met ongekende sterkte, hun structuur buiten het water behouden. De resultaten van deze meerjarige inspanning, die een breed scala aan toepassingen zou kunnen inspireren, werden op 21 januari beschreven in Nature Nanotechnology door Ortony en coauteurs.

"Dit baanbrekende werk - dat abnormale mechanische eigenschappen opleverde door zeer gecontroleerde zelfassemblage - zou een grote impact op het veld moeten hebben, " stelt professor Tazuko Aida, adjunct-directeur van het RIKEN Center for Emergent Matter Science en hoogleraar scheikunde en biotechnologie aan de Universiteit van Tokio, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Het materiaal dat de MIT-groep construeerde - of liever, zichzelf mag construeren - is gemodelleerd naar een celmembraan. Het buitenste deel is "hydrofiel, " wat betekent dat hij graag in het water is, terwijl het binnenste deel "hydrofoob, " wat betekent dat het water probeert te vermijden. Deze configuratie, Ortony opmerkingen, "biedt een drijvende kracht voor zelfmontage, " terwijl de moleculen zich oriënteren om interacties tussen de hydrofobe gebieden en water te minimaliseren, daardoor een vorm op nanoschaal aanneemt.

De vorm, in dit geval, wordt verleend door water, en normaal gesproken zou de hele structuur instorten wanneer deze gedroogd werd. Maar Ortony en haar collega's bedachten een plan om dat te voorkomen. Als moleculen losjes aan elkaar zijn gebonden, ze bewegen snel, analoog aan een vloeistof; naarmate de sterkte van intermoleculaire krachten toeneemt, beweging vertraagt ​​en moleculen nemen een vaste toestand aan. Het idee, Ortony legt uit, "is het vertragen van de moleculaire beweging door kleine modificaties aan de individuele moleculen, wat kan leiden tot een collectief, en hopelijk dramatisch, verandering in de eigenschappen van de nanostructuur."

Een manier om moleculen te vertragen, merkt Ty Christoff-Tempesta op, een doctoraat student en eerste auteur van de paper, "is om ze sterker aan elkaar te laten kleven dan in biologische systemen." Dat kan worden bereikt wanneer een dicht netwerk van sterke waterstofbruggen de moleculen met elkaar verbindt. "Dat is wat een materiaal als Kevlar - gemaakt van zogenaamde 'aramides' - zijn chemische stabiliteit en sterkte geeft, ", stelt Christoff-Tempesta.

Het team van Ortony heeft dat vermogen verwerkt in hun ontwerp van een molecuul met drie hoofdcomponenten:een buitenste gedeelte dat graag in wisselwerking staat met water, aramides in het midden voor binding, en een binnenste deel dat een sterke afkeer van water heeft. De onderzoekers testten tientallen moleculen die aan deze criteria voldeden voordat ze het ontwerp vonden dat leidde tot lange linten met een dikte op nanometerschaal. De auteurs maten vervolgens de sterkte en stijfheid van de nanoribbons om de impact te begrijpen van het opnemen van Kevlar-achtige interacties tussen moleculen. Ze ontdekten dat de nanolinten onverwacht stevig waren - sterker dan staal, in feite.

Deze bevinding bracht de auteurs ertoe zich af te vragen of de nanoribbons konden worden gebundeld om stabiele macroscopische materialen te produceren. De groep van Ortony bedacht een strategie waarbij uitgelijnde nanolinten in lange draden werden getrokken die gedroogd en gehanteerd konden worden. Opmerkelijk, Het team van Ortony toonde aan dat de draden 200 keer hun eigen gewicht konden dragen en een buitengewoon groot oppervlak hebben:200 vierkante meter per gram materiaal. "Deze hoge oppervlakte-tot-massaverhouding biedt belofte voor miniaturiseringstechnologieën door meer chemie uit te voeren met minder materiaal, " legt Christoff-Tempesta uit. Hiertoe, ze hebben al nanolinten ontwikkeld waarvan de oppervlakken zijn bedekt met moleculen die zware metalen kunnen trekken, zoals lood of arseen, uit verontreinigd water. Andere inspanningen in de onderzoeksgroep zijn gericht op het gebruik van gebundelde nanoribbons in elektronische apparaten en batterijen.

Ortonie, van haar kant, is nog steeds verbaasd dat ze hun oorspronkelijke onderzoeksdoel, namelijk "het afstemmen van de interne toestand van materie om uitzonderlijk sterke moleculaire nanostructuren te creëren", hebben kunnen bereiken. Het had gemakkelijk de andere kant op kunnen gaan; deze materialen zouden ongeordend kunnen zijn gebleken, of hun structuren fragiel, net als hun voorgangers, alleen in het water houden. Maar, ze zegt, "We waren opgewonden om te zien dat onze modificaties aan de moleculaire structuur inderdaad werden versterkt door het collectieve gedrag van moleculen, het creëren van nanostructuren met extreem robuuste mechanische eigenschappen. De volgende stap, het uitzoeken van de belangrijkste toepassingen, wordt spannend."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.