Forskere programmerer levetiden for selvsamlede nanostrukturer

Materialer, der samler sig selv og selvdestruerer, når deres arbejde er udført, er yderst fordelagtige til en række applikationer - som komponenter i midlertidige datalagringssystemer eller til medicinsk udstyr. For eksempel, sådanne materialer kan forsegle blodkar under operation og genåbne dem efterfølgende. Dr. Andreas Walther, forskergruppeleder ved DWI - Leibniz Institute for Interactive Materials i Aachen, udviklet et vandigt system, der bruger et enkelt udgangspunkt til at fremkalde selvsamlingsdannelse, hvis stabilitet er forprogrammeret med en levetid, før demontering sker uden yderligere eksternt signal - og præsenterer derfor en kunstig selvreguleringsmekanisme i lukkede forhold. Deres resultater er offentliggjort som denne uges forsideartikel i Nano bogstaver .

Biologisk inspirerede principper for syntese af komplekse materialer er en af ​​Andreas Walthers centrale forskningsinteresser. For at tillade fremstilling af meget små, detaljerede objekter, nanoteknologi bruger selvmontering. Som regel, i menneskeskabte selvsamlinger, molekylære interaktioner guider små byggeklodser til at aggregere i 3D-arkitekturer, indtil ligevægt er nået. Imidlertid, naturen går et skridt videre og forhindrer visse processer i at nå ligevægt. Montering konkurrerer med demontering, og selvregulering opstår. For eksempel, mikrotubuli, komponenter i cytoskelettet, vokser konstant, krympe og omarrangere. Når de løber tør for deres biologiske brændstof, de vil skilles ad.

Dette motiverede Andreas Walther og hans team til at udvikle en vandig, lukket system, hvor den præcise balance mellem montagereaktion og programmeret aktivering af nedbrydningsreaktionen styrer materialernes levetid. En enkelt startinjektion starter hele processen, hvilket adskiller denne nye tilgang fra nuværende responsive systemer, der altid kræver et andet signal for at udløse demonteringen.

Metoden bruger pH-ændringer til at styre processen. Forskerne trykker på startknappen ved at tilføje en base og en sovende deaktivator. Dette øger først hurtigt pH og byggestenene – blokcopolymerer, nanopartikler eller peptider – samles derefter til en tredimensionel struktur. På samme tid, ændringen af ​​pH stimulerer den hvilende deaktivator. Ph.d.-studerende Thomas Heuser forklarer:"Den hvilende deaktivator bliver langsomt aktiveret og udløser en off-switch. Men det tager et stykke tid, før off-switchen udfolder sit fulde potentiale. Afhængig af deaktivatorens molekylære struktur. dette kan være minutter, timer eller en hel dag. Indtil da, de selvsamlede nanostrukturer forbliver stabile."

I øjeblikket bruges en hydrolytisk reaktion til at aktivere den hvilende deaktiveringsanordning. Imidlertid, Andreas Walther og hans team arbejder allerede på mere sofistikerede versioner, som omfatter en enzymatisk reaktion for langsomt at starte selvdestruktionsmekanismen.