Polymerer bliver fanget af kærlighed-hadkemi af olie og vand

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory og University of Tennessee opnåede et sjældent kig på de indre funktioner i polymer selvsamling ved en olie-vand-grænseflade for at fremme materialer til neuromorfe computere og bioinspirerede teknologier.

Resultater offentliggjort i Journal of the American Chemical Society give ny indsigt i den måde, molekyler pakker og ordner sig selv i "tunable" grænseflader, monolag tykke overflader med strukturer, der kan modificeres til specifikke funktionaliteter.

"Forståelse af designreglerne for den kemi, der sker ved væske-væske-grænsefladen, informerer i sidste ende om, hvordan vi kan lave nye materialer med tilpassede egenskaber, " sagde Benjamin Doughty fra ORNL's Chemical Sciences Division.

Undersøgelsen udvider interessen for at bruge bløde materialer til at efterligne lipid-dobbeltlag - selektive membraner med vigtige biologiske funktioner, såsom behandling af signaler på tværs af hjernens neurale netværk og transport af ioner, proteiner, og andre molekyler på tværs af celler.

Medforfattere har tidligere designet biomimetiske membraner ved hjælp af lipid-coatede vanddråber i olie og demonstreret deres potentiale som sensoriske komponenter for neuromorfe, eller hjernelignende, computere med naturlig informationsbehandling, indlæring og hukommelse.

"Fordi lipider i sagens natur er skrøbelige og henfalder, vi er interesserede i at udvikle polymerbaserede modstykker, der tilbyder stabilitet og også kan give os en række naturlige funktionaliteter, " sagde Pat Collier fra ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Uden viden om grænsefladekemi, imidlertid, at skabe funktionelle bilag af naturlige eller syntetiske molekyler indebærer en vis grad af mystik. Kemiske arter, der interagerer i et bæger med opløsning, kan eller kan ikke danne analoge membraner med selektive egenskaber, såsom evnen til at lagre eller filtrere sensoriske impulser, der udgør det ikke -digitale sprog i neuromorf computing.

"For at kunne træne molekyler til specifikke formål og låse op for nye funktionaliteter, vi er nødt til at forstå, hvad der sker på et molekylært niveau under selvsamling, " sagde Collier.

Til eksperimentet, forskere valgte en oligomer, en lille polymervariant med en struktur, der ligner naturlige lipider, og brugte overfladespektroskopimetoder til at sondere det molekylære monolag - den ene side af et dobbeltlag - dannet mellem vand og olie.

ORNL-teamet er en af ​​kun få grupper, der har undersøgt væske-væske-grænsefladen, et vigtigt forskningsområde, men understuderet på grund af tekniske udfordringer.

"Vores mål var at undersøge, hvordan asymmetrien ved olie-vand-grænsefladen får arter til at adsorbere forskelligt, at pakke og bestille til et funktionelt design, "Sagde Doughty.

Den undersøgte oligomer er et amfifilt molekyle, hvilket betyder, at dele af dets struktur er hydrofobe, mens andre er hydrofile. Når prøver stabiliseret i olie indføres i en vandbaseret opløsning, molekylerne samler sig selv som reaktion på deres blandede tiltrækning og frastødning til vand.

Ligesom går til lide - oligomerernes let ladede polære hoveder vil gerne være i vandfasen, som også er polar, og de ikke-polære haler ønsker at være i oliefasen, hvilket ikke er.

"At være i stand til i realtid at observere, hvordan disse molekyler arrangeres ved en varieret grænseflade, er en bredt anvendelig fundamental videnskabelig bedrift, " sagde Doughty.

As shown in the animation, the charged oligomer heads home in on the water phase; but the flexible tails coil up in the oil when they have room to spare, or tighten to accommodate neighbors as the interface becomes crowded.

"We discovered that adjusting the ions, or charged particles, in the water phase aided in the formation of well-defined interfaces, with oligomers taking on more tightly coiled structures, " Doughty said.

Too few ions and the tails spread out loosely, leaving gaps; too many, and they squeeze in, ballooning from the surface.

"The findings point to approaches for modifying the size and shape of monolayers, and—at the next stage—enabling bilayers with asymmetrical designs, just like natural lipids, " Collier said. "The work brings us a step closer to unlocking new potentials in biomaterials."

Tailoring surfaces on a molecular level to design new materials opens possibilities not only for biocomputing but also broadly for chemical separations, sensing and detection.

"Observing the liquid-liquid interface helps us understand the chemistry that drives all of these technologies, " said Doughty.