Forskere opdager et andet designprincip til opbygning af nanostrukturer

Når det kommer til de forskellige nanowidgets, forskere udvikler, nanorør er især spændende. Det skyldes, at hule rør, der har en diameter på kun få milliarder af en meter, har potentiale til at være utroligt nyttige, fra at levere kræftbekæmpende lægemidler inde i celler til afsaltning af havvand.

Men at bygge nanostrukturer er svært. Og skaber en stor mængde nanostrukturer med det samme træk, såsom millioner af nanorør med identiske diametre, er endnu vanskeligere. Denne form for præcisionsfremstilling er nødvendig for at skabe morgendagens nanoteknologier.

Hjælp kan være på vej. Som rapporteret online ugen den 28. marts i journalen Procedurer fra National Academy of Sciences , forskere ved US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har opdaget en familie af naturinspirerede polymerer, der, når det placeres i vand, samles spontant til hule krystallinske nanorør. Hvad mere er, nanorørene kan indstilles til alle, der har samme diameter på mellem fem og ti nanometer, afhængigt af længden af ​​polymerkæden.

Polymererne har to kemisk forskellige blokke, der har samme størrelse og form. Forskerne lærte, at disse blokke fungerer som molekylære fliser, der danner ringe, som stabler sammen for at danne nanorør op til 100 nanometer lange, alle med samme diameter.

"Dette peger på en ny måde, vi kan bruge syntetiske polymerer til at skabe komplekse nanostrukturer på en meget præcis måde, "siger Ron Zuckermann, der leder Biological Nanostructures Facility i Berkeley Labs Molecular Foundry, hvor meget af denne forskning blev udført.

Flere andre Berkeley Lab -forskere bidrog til denne forskning, herunder Nitash Balsara fra Materials Sciences Division og Ken Downing fra Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division.

"At skabe ensartede strukturer i højt udbytte er et mål inden for nanoteknologi, "tilføjer Zuckermann." F.eks. hvis du kan kontrollere diameteren af ​​nanorør, og de kemiske grupper eksponeret i deres indre så kan du styre, hvad der går igennem - hvilket kan føre til nye filtrerings- og afsaltningsteknologier, for at nævne et par eksempler. "

Forskningen er den seneste i bestræbelserne på at bygge nanostrukturer, der nærmer sig kompleksiteten og funktionen af ​​naturens proteiner, men er lavet af slidstærke materialer. I dette arbejde, forskerne i Berkeley Lab studerede en polymer, der er medlem af peptoidfamilien. Peptoider er robuste syntetiske polymerer, der efterligner peptider, som naturen bruger til at danne proteiner. De kan indstilles i atomskala for at udføre specifikke funktioner.

I de sidste år har forskerne har undersøgt en bestemt type peptoid, kaldet en diblock copolypeptoid, fordi den binder sig med lithiumioner og kan bruges som batterielektrolyt. Langs vejen, de fandt seriøst at forbindelserne danner nanorør i vand. Hvordan disse nanorør præcist dannes, er endnu ikke fastlagt, men denne nyeste forskning kaster lys over deres struktur, og antyder et nyt designprincip, der kan bruges til at bygge nanorør og andre komplekse nanostrukturer.

Diblock -copolypeptoider består af to peptoidblokke, en der er hydrofob en der er hydrofil. Forskerne opdagede, at begge blokke krystalliseres, når de mødes i vand, og danner ringe bestående af to til tre individuelle peptoider. Ringene danner derefter hule nanorør.

Cryo-elektronmikroskopi-billeddannelse af 50 af nanorørene viste, at hvert rørs diameter er meget ensartet langs dets længde, samt fra rør til rør. Denne analyse afslørede også et stribet mønster på tværs af bredden af ​​nanorørene, hvilket angiver, at ringene stables sammen for at danne rør, og udelukker andre pakkearrangementer. Ud over, man tror, ​​at peptoiderne arrangerer sig selv i et murstenslignende mønster, med hydrofobe blokke i kø med andre hydrofobe blokke, og det samme for hydrofile blokke.

"Billeder af rørene fanget ved elektronmikroskopi var afgørende for at fastslå tilstedeværelsen af ​​denne usædvanlige struktur, "siger Balsara." Dannelsen af ​​rørformede strukturer med en hydrofob kerne er almindelig for syntetiske polymerer spredt i vand, så vi var ret overraskede over at se dannelsen af ​​hule rør uden en hydrofob kerne. "

Røntgenspredningsanalyser udført ved beamline 7.3.3 i den avancerede lyskilde afslørede endnu mere om nanorørens struktur. For eksempel, det viste, at en af ​​peptoidblokkene, som normalt er amorf, er faktisk krystallinsk.

Bemærkelsesværdigt, nanorørene samler sig selv uden de sædvanlige nano-konstruktionshjælpemidler, såsom elektrostatiske interaktioner eller hydrogenbindingsnetværk.

"Du ville ikke forvente noget så indviklet som dette kunne skabes uden disse krykker, "siger Zuckermann." Men det viser sig, at de kemiske interaktioner, der holder nanorørene sammen, er meget enkle. Det særlige her er, at de to peptoidblokke er kemisk forskellige, dog næsten nøjagtig samme størrelse, som gør det muligt for kæderne at pakke sammen på en meget regelmæssig måde. Denne indsigt kan hjælpe os med at designe nyttige nanorør og andre strukturer, der er robuste og afstembare - og som har ensartede strukturer. "