Nanosfærer lavet af aromatiske aminosyrer:De hidtil mest stive organiske nanostrukturer

(PhysOrg.com) - Organiske nanostrukturer er nøgleelementer i nanoteknologi, fordi disse byggesten kan laves med skræddersyede kemiske egenskaber. Deres ulempe har været, at deres mekaniske egenskaber hidtil har været væsentligt ringere end metalliske nanostrukturer.

Ehud Gazit, Itay Rousso, og et team fra Tel Aviv University, Weizmann Institute of Science og Ben-Gurion University i Negev (Israel) har nu introduceret organiske nanosfærer, der er lige så stive som metal. Som forskerne rapporterer i tidsskriftet Angewandte Chemie , de er interessante komponenter til ultrarigide biokompositmaterialer.

Nanoskala biologiske strukturer udviser ofte unikke mekaniske egenskaber; for eksempel er edderkoppesilke 25 gange så stærk som stål i vægt. De hidtil mest stive syntetiske organiske materialer er aramider, såsom Kevlar. Deres hemmelighed er et særligt rumligt arrangement af deres aromatiske ringsystemer og netværket af interaktioner mellem deres plane amidbindinger. De nye nanosfærer er baseret på et lignende konstruktionsprincip. Imidlertid, i modsætning til de store polymere kæder, de dannes i en selvorganiseringsproces af meget enkle molekyler baseret på aromatiske dipeptider af aminosyren phenylalanin.

Ved hjælp af et atomkraftmikroskop, forskerne undersøgte de mekaniske egenskaber ved deres nanosfærer. Denne enhed bruger en nanotip (cantilever), en lille fleksibel håndtag med en meget fin spids for enden. Når denne spids presses mod en prøve, nedbøjningen af ​​håndtaget angiver, om spidsen af ​​nålen kan presse ind i prøveobjektet, og hvor langt der kan gå. En metalnål var ikke i stand til at gøre indtryk på nanosfærerne; kun en nål af diamant var i stand til at gøre det. Forskerne brugte disse målinger til at beregne elasticitetsmodulet (Youngs modul) for nanosfærerne. Denne værdi er et mål for et materiales stivhed. Jo større værdi, jo mere modstand et materiale har mod dets deformation. Ved at bruge et scanningelektronmikroskop i høj opløsning udstyret med en nanomanipulator, det var muligt direkte at observere deformationen af ​​kuglerne.

For nanosfærerne, holdet målte et bemærkelsesværdigt højt elasticitetsmodul (275 GPa), som er højere end mange metaller og ligner de værdier, der findes for stål. Dette gør disse nanostrukturer til de stiveste organiske molekyler til dato; de kan endda formørke aramider. Udover at have fremragende mekaniske egenskaber, nanosfærerne er også gennemsigtige. Dette gør dem til ideelle elementer til forstærkning af ultrarigide biokompositmaterialer, såsom forstærket plast til implantater eller materialer til tandudskiftning, rumfart, og andre applikationer, der kræver billige, lette materialer med høj stivhed og usædvanlig stabilitet.