Forskerhold opdager brugen af ​​elasticitet til at placere mikroplader på buede 2D-væsker

Et hold af polymervidenskabs- og ingeniørforskere ved University of Massachusetts Amherst har for første gang demonstreret, at positionerne for bittesmå, flad, faste genstande integreret i nanometrisk tynde membraner – der ligner biologiske cellers – kan kontrolleres ved mekanisk at variere de elastiske kræfter i selve membranen. Denne forskningsmilepæl er et vigtigt skridt mod målet om at skabe ultratynde fleksible materialer, der selvorganiserer og reagerer øjeblikkeligt på mekanisk kraft.

Holdet har opdaget, at stive faste plader i biomimetiske væskemembraner oplever interaktioner, der er kvalitativt forskellige fra biologiske komponenter i cellemembraner. I cellemembraner, flydende domæner eller adhærente vira oplever enten tiltrækninger eller frastødninger, men ikke begge, siger Weiyue Xin, hovedforfatter af papiret, der beskriver forskningen, som for nylig dukkede op i Videnskabens fremskridt . Men for præcist at placere faste genstande i en membran, både tiltrækkende og frastødende kræfter skal være tilgængelige, tilføjer Maria Santore, professor i polymervidenskab og ingeniørvidenskab ved UMass. I Santore Lab på UMass, Xin brugte kæmpe unilamellære vesikler, eller GUV'er, som er cellelignende membransække, at undersøge interaktionerne mellem faste genstande i en tynd, pladelignende materiale. Ligesom biologiske celler, GUV'er har væskemembraner og danner en næsten sfærisk form. Xin modificerede GUV'erne, så membranerne omfattede små, solid, stive pladelignende masser. Holdet, et samarbejde mellem Santore-laboratoriet og Grason-teorigruppen i UMass' polymervidenskabs- og ingeniørafdeling, er den første til at vise, at ved at ændre membranens krumning og spænding, de pladelignende masser kunne fås til at tiltrække og frastøde hinanden. Dette gjorde det muligt for forskerne at kontrollere pladernes positioner i membranen.

Membranspændingen kan justeres mekanisk, bruge en mikropipette til at puste op eller tømme GUV'en, eller fysisk, ved osmose. I begge tilfælde, når membranen er spændt, de flade plader tiltrækker hinanden gradvist, danne forudsigelige, gentagelige arrangementer. Derimod reduktion af spændingen får pladerne til at migrere fra hinanden. I begge tilfælde er bevægelsen og placeringen af ​​pladerne forudsigelig og kontrollerbar.

Denne evne til at dirigere placeringen af ​​pladerne i en membran er et kæmpe skridt i retning af at konstruere et materiale, der reagerer på stimuli og kan selvorganisere sig på kontrollerbare og rekonfigurerbare måder. "Vores forskning har anvendelser inden for nanoteknologi og andre områder, hvor det er ønskeligt at have sofistikeret, fleksible enheder, der kan reagere på deres omgivelser, " siger Xin. Én anvendelse af holdets forskning i den virkelige verden omfatter fleksible, ultra tynd, og rekonfigurerbar, bærbar elektronik.