Nyt princip for selvmontering af mønstrede nanopartikler

Dyr- og planteceller er fremtrædende eksempler på, hvordan naturen konstruerer stadig større enheder i en målrettet, forprogrammeret måde ved hjælp af molekyler som byggesten. Inden for nanoteknologi, forskere efterligner denne 'bottom-up' teknik ved at bruge evnen hos passende strukturerede nanomaterialer til at 'samle sig' i arkitekturer af højere orden. Anvendelse af dette koncept, polymerforskere fra Bayreuth, Aachen, Jena, Mainz, og Helsinki har for nylig offentliggjort en artikel i det prestigefyldte tidsskrift Natur der beskriver et nyt princip for selvsamling af mønstrede nanopartikler. Dette princip kan have vigtige konsekvenser for den grundlæggende forståelse af sådanne processer såvel som fremtidige teknologier.

Forskerteamet ledes af professor Axel Müller, der var indehaver af formanden for makromolekylær kemi II ved University of Bayreuth indtil han gik på pension i 2012; han er nu stipendiat ved Gutenberg Research College ved Mainz University. De andre medlemmer af teamet er Dr. André Gröschel (tidligere ved University of Bayreuth, nu Aalto University Helsinki), Tina Löbling og Dr. Holger Schmalz (University of Bayreuth), Dr. Andreas Walther (Interactive Materials Research Center ved Aachen University), og juniorprofessor Dr. Felix Schacher (Friedrich Schiller University Jena). Forskningen blev udført på University of Bayreuth og finansieret af German Research Foundation (DFG) inden for Collaborative Research Center 840 "From Particulate Nano-Systems to Mesotechnology."

Selvmonteringsprocessen beskrevet i Natur begynder med kædelignende makromolekyler med en størrelse i området 10 til 20 nanometer. I kemi, sådanne makromolekyler kaldes triblock -terpolymerer. De er sammensat af tre lineære sektioner (blokke) forbundet i rækkefølge. De genereres ved hjælp af en særlig syntetisk proces, dvs. den såkaldte "levende polymerisation, "og er let tilgængelige for forskere. Forskergruppen var i stand til at guide triblock-makromolekylerne ind i bløde nanopartikler med en diameter på cirka 50 nanometer. Valget af opløsningsmidler spillede en central rolle i denne makromolekylære selvsamlingsproces. Opløsningsmidlerne blev præcist valgt og bruges således, at den varierende opløselighed af de tre blokke og uforeneligheden mellem polymererne med hinanden bidrog væsentligt til kvaliteten af ​​den ønskede indvendige struktur af nanopartiklerne.

Forskerne anvendte denne teknik til to typer triblock -terpolymerer. Disse var forskellige med hensyn til de kemiske egenskaber ved midterblokkene. Makromolekylernes blocksekvenser var A-B-C og A-D-C, henholdsvis. Det første resulterer i nanopartikler med et enkelt bindingssted og har en tendens til at danne sfæriske klynger, mens sidstnævnte skaber nanopartikler med to bindingssteder og dermed har tendens til at danne lineære overbygninger. Vigtigere, i begge tilfælde er nanopartiklernes struktur forprogrammeret af den kemiske struktur af kildemakromolekylet på samme måde som strukturen af ​​et protein bestemmes af dets aminosyresekvens.

Imidlertid, selve samlingsprocessen slutter ikke med nanopartiklerne. Hvis nanopartiklerne dannet af hver type makromolekyle blev overladt til deres egne, sfæriske overbygninger ville resultere på den ene side og lineære overbygninger på den anden side. Müllers team har udviklet og implementeret en anden tilgang. Nanopartiklerne med et og to bindingssteder blandes, så de aggregerer sammen til en helt ny overbygning i en samlingsproces. I den endelige overbygning, nanopartiklerne stammer fra A-B-C molekylerne og nanopartikler dannet af A-D-C molekylerne skiftevis i et præcist defineret mønster.

Når det ses under et transmissionselektronmikroskop, den nye overbygning ligner en stærk larve, fordi den også består af en række klart adskilte, regelmæssigt bestilte sektioner. Müllers forskergruppe har således opfundet udtrykket "caterpillar micelles" for sådanne sammenbyggede overbygninger.

Forskningsresultaterne blev for nylig offentliggjort i Natur repræsentere et gennembrud inden for hierarkisk strukturering og nanoteknik, da det gør det muligt at skabe nye materialer ved selvsamling af forprogrammerede partikler. Dette kan være en game changer, fordi hidtil kun top-down procedurer, dvs. udtræk af en mikrostruktur fra et større kompleks, er bredt accepterede strukturprocesser. "Begrænsningerne ved denne teknik vil blive alt for tydelige i den nærmeste fremtid, "forklarede Müller." Kun sjældent er det muligt at generere komplekse strukturer i nanometerområdet. "

Imidlertid, et bottom-up-princip om selvsamling baseret på det, der anvendes i naturen, kunne meget vel repræsentere den bedste vej frem. En faktor, der gør dette særligt attraktivt, er det store antal makromolekyler, som er let tilgængelige som byggesten. De kan bruges til at inkorporere specifikke egenskaber i de resulterende overbygninger, såsom følsomhed over for miljøstimuli (f.eks. temperatur, lys, elektriske og magnetiske felter, osv.) eller give dem mulighed for at tænde og slukke efter behag. Mulige anvendelser omfatter nanolithografi og levering af lægemidler, hvor tid og sted for frigivelse af aktive stoffer kan forprogrammeres. Her, ligheden med strukturelle principper for dyre- og planteceller bliver tydelig igen, hvor forskellige egenskaber er opdelt i områder med begrænset plads.

Makromolekylerne, der bærer forskellige funktionelle segmenter, kan være hundredvis af gange mindre end et mikrometer. Overbygningerne, som sådanne makromolekyler producerer, har tilsvarende høj opløsning. "Fremtidige teknologier-såsom skræddersyede kunstige celler, transistorer, eller komponenter til mikro/nano-robotik-kan have stor gavn af denne særligt sarte struktur, "forklarede Müller." Forskningsresultaterne, vi offentliggjorde i Natur har endnu ingen umiddelbare virkelige applikationer. Alligevel, jo bedre forstår vi bottom-up-processer, der starter med molekyler i nanometerområdet og går videre til de højere hierarkiske niveauer i mikrometerområdet, de mere sandsynlige fremtidige teknologier vil være inden for vores rækkevidde. "Caterpillar miceller er på ingen måde de eneste overbygninger, der kan produceres med de selvsamlende nanopartikler." Sådanne bløde nanopartikler kan kombineres med uorganiske eller biologiske nano- og mikropartikler til at skabe tidligere ukendte materialer med specifikke funktioner. Antallet af mulige kombinationer er praktisk talt uendeligt, "sluttede Müller.