Formskiftende materialer:Brug af lys til at omarrangere makroskopiske strukturer

OIST-forskere skaber selvsamlende molekyler, som kan nedbrydes af ultraviolet lys for at rekombineres til nye makroskopiske former.

Traditionel kemi er uhyre magtfuld, når det kommer til at producere meget forskelligartede og meget komplekse mikroskopiske kemiske molekyler. Men én ting uden for rækkevidde er syntesen af ​​store strukturer op til den makroskopiske skala, hvilket ville kræve enorme mængder kemikalier samt en omstændelig og kompliceret teknik. Til dette formål, forskere stoler i stedet på "selvsamlende" molekyler, forbindelser, der kan interagere med andre kopier af sig selv for spontant at samles i sfærer, rør eller andre ønskede former. Ved at bruge denne tilgang, forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) rapporterer nu ind Kemisk kommunikation nye selvsamlende molekyler, der kan omdannes til nye, eksotiske og tidligere ikke -observerede former ved blot at bruge UV -lys til at tvinge dem til at omarrangere forskelligt til "metastabile" tilstande.

Ved design af selvsamlende strukturer, videnskabsmænd sigter typisk efter tilstanden med lavest energi – eller "grundtilstand, ", hvor strukturen ville have sin højeste stabilitet. Mindre stabile former afvises normalt som ukorrekte og uønskede. Denne "grundtilstand", der er meget stabil, gør det besværligt at nedbryde strukturen, hvis du ønsker at ændre dens form. I denne forskning, OIST-videnskabsmænd indsatte en svaghed i deres jordtilstands selvsamlede strukturer, hvilket resulterer i strukturer, der kun kræver et lille skub til at falde sammen. I dette tilfælde, nudge er brugen af ​​ultraviolet lys til at klippe en specifik binding mellem to atomer i molekylet, opdeling af strukturen i mindre fragmenter. Fragmenterne er derefter i stand til at samles til mindre stabile - kaldet metastabile - men nye og eksotiske former.

"Denne rapport handler om et nyt koncept inden for materialevidenskab, "forklarede professor Zhang fra Bioinspired Soft Matter Unit og forfatter til undersøgelsen." Vi konverterede et selvsamlingsfænomen til at samles på en rumligt og tidsmæssigt kontrollerbar måde ved hjælp af lys. Til sidst, vi konstruerede eksotiske heterogene nanostrukturer, der var utilgængelige gennem konventionel syntetisk vej."

Dette nye koncept førte til en fascinerende opdagelse:fordi de resterende fragmenter er tæt pakket efter sammenbruddet fra den oprindelige struktur, de kan danne nye og eksotiske strukturer, som ikke kan opnås, hvis du bare blander de samme molekyler i fri bevægelse. Forestil dig disse nanostrukturer lavet af Lego -klodser:I første omgang har du 2x5 klodser - 2 nitter brede og 5 nitter lange - selvsamling til en nanofiber. Ultraviolet lys vil dele disse 2x5 klodser i to mindre stykker, for eksempel en 2x3 klods og en 2x2 klods, ødelægge hele den fiberlignende struktur. Men fordi disse mindre klodser forbliver præorganiserede rumligt og forbliver tæt på hinanden, de kan let rekombinere sig selv til nye former, der er synlige med det blotte øje. I modsætning, hvis du i et separat eksperiment bare blander 2x3 og 2x2 legoklodser på en tilfældig måde i en spand med varierende afstande mellem klodser, deres mangel på rumlig organisering forhindrer samlingen af ​​sådanne nye nanostrukturer.

Ifølge prof. Zhang, evnen til at skabe nye strukturer er afgørende:"I materialevidenskab, funktionen er altid relateret til strukturen. Hvis du opretter en anden struktur, du manipulerer funktionen og opretter endda nye applikationer." F.eks. toksiciteten af ​​et molekyle i en nanofiberform kan være meget lavere eller højere end det samme molekyle samlet i en sfærisk form. "

Den nuværende forskning udført på OIST antyder kraftigt, at startbetingelserne er den mest kritiske parameter, der påvirker den endelige form taget af selvsamlende molekyler. "Hvis du ved, hvordan molekylerne pakker med hinanden ud fra parametrene for den oprindelige tilstand, så vil det give dig flere spor til at sigte mod en bestemt makroskopisk form, " kommenterede prof. Zhang.

Denne formskiftende evne har et stort potentiale for biologiske anvendelser. Prof. Zhang foreslog, "For eksempel introducerer du molekylet i en levende organisme, og det antager en bestemt struktur. Så bruger du lys, du bryder en kemisk binding, og så vil molekylet skifte til en anden struktur med den funktion, du ønsker."

Inden for farmaceutisk design, et sådant koncept ville tillade et lægemiddel at nå sit mål i en levende organisme – et organ eller en tumor – i en inaktiv tilstand, dermed begrænse potentielle bivirkninger. Når den var opdelt på denne målrettede placering, stoffet ville omforme sig selv til en anden struktur med terapeutisk aktivitet.

Prof. Zhang konkluderede, "For nu, at bruge ultraviolet lys, som vi gør, er ikke ideelt, da det er giftigt for levende celler. Det næste skridt for os er at bevæge os mod mere biokompatible selvsamlende strukturer med bedre tilpasningsevne til levende systemer."