Selvsamling af komplekse systemer:Sekskantede byggeklodser er bedre

Komplekse systemer i naturen omfatter ligesom deres syntetiske modstykker inden for teknologi et stort antal små komponenter, der samles af sig selv gennem molekylære interaktioner. At opnå en bedre forståelse af principperne og mekanismerne for denne selvsamling er vigtig for udviklingen af ​​nye applikationer inden for områder som nanoteknologi og medicin.

Professor Erwin Frey, formand for Statistisk og Biologisk Fysik ved LMU og medlem af ORIGINS Excellence Cluster, og hans forsker Dr. Florian Gartner har nu undersøgt et aspekt af selvsamling, som har fået lidt opmærksomhed før nu:Hvilken rolle spiller formen og antallet af mulige bindinger mellem partikler spiller?

Som forskerne rapporterer i tidsskriftet Physical Review X , viser deres resultater, at hexagonale morfologier – med andre ord sekssidede strukturer – såsom molekyler med seks bindingssteder er ideelle til selvsamling.

Skaleringsfænomener vækker interesse hos forskere

"Da vi undersøgte en generel model for selvsamling, observerede vi, at samlingstiden steg med størrelsen af ​​målstrukturen," fortæller Gartner. "Det fik os til at spekulere på, om formen på partiklerne kunne have en betydelig indflydelse på, hvor hurtigt den nødvendige montagetid stiger med størrelsen af ​​målstrukturen og dermed, hvor effektive selvorganiseringsprocesserne kan være. Denne skalering af montagetiden med målstrukturstørrelsen definerer, hvad vi kalder tidskompleksiteten ved selvsamling."

For at forfølge denne tanke udviklede forskerne en matematisk model til at analysere systemets opførsel under selvsamling. Deres resultater viser, at byggestenenes morfologi faktisk spiller en vigtig rolle.

Ved blandt andet at tage hensyn til systemernes skalering og kinetik, var Frey og Gartner i stand til at vise, at sekskantede former giver betydelige fordele ved selvmontering. For eksempel kan samlingen af ​​strukturer, der består af tusinde byggeklodser, være næsten fire størrelsesordener hurtigere med sekskantede byggeklodser sammenlignet med trekantede.

Dette hexagon-princip gælder generelt for morfologien, som ikke kun beskriver partiklernes form, men også antallet og placeringen af ​​deres bindinger:Seks mulige bindinger til tilstødende partikler viste sig at være ideelle ved samling af større strukturer. Dette kan være kovalente bindinger, hydrogenbrobindinger, van der Waals-kræfter og hydrofobe interaktioner.

Der er også overensstemmelser i naturen for dette mønster, såsom selvsamling af virale capsider. Denne proces starter med samlingen af ​​små, trekantede dele til sekskanter, som efterfølgende går sammen med femkanter for at danne de icosaedriske strukturer af virale kapsider.

Potentielle applikationer

Ifølge forskerne giver deres resultater værdifuld indsigt inden for nanoteknologi. Sekskantprincippet kunne anvendes til at optimere selvorganiseringen af ​​små strukturer til større – hvad angår formen på byggestenene eller muligheden for bindinger og tilstødende forhold til andre partikler. Gennem hierarkisk selvsamling kan det for eksempel være muligt at danne partikler med særlig fordelagtig morfologi (f.eks. sekskanter) i et indledende montagetrin for at øge effektiviteten af ​​hele samlingsprocessen.

"Hvis du forstår, hvilke morfologier af monomererne, der fører til effektiv selvsamling, kan du bevidst vælge disse former og undgå ineffektive former, der er langsomme at samle," forklarer Gartner. "Et eksempel på, hvordan denne strategi kan udnyttes, er i syntesen af ​​kunstige virale kapsider til biomedicinske anvendelser."

Flere oplysninger: Florian M. Gartner et al., Designprincipper for hurtige og effektive selvsamlingsprocesser, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021004

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X

Leveret af Ludwig Maximilian University of München