Forskere konstruerer molekylære nanofibre, der er stærkere end stål

Selvsamling er allestedsnærværende i den naturlige verden, tjener som en vej til at danne organiserede strukturer i enhver levende organisme. Dette fænomen kan ses, for eksempel, når to DNA-strenge – uden nogen ekstern tilskyndelse eller vejledning – forbindes for at danne en dobbelt helix, eller når et stort antal molekyler kombineres for at skabe membraner eller andre vitale cellulære strukturer. Alt går til sin retmæssige plads, uden at en uset bygmester behøver at samle alle brikkerne, en ad gangen.

I de sidste par årtier, videnskabsmænd og ingeniører har fulgt naturens spor, designe molekyler, der samler sig i vand, med det mål at lave nanostrukturer, primært til biomedicinske applikationer såsom medicinafgivelse eller vævsteknologi. "Disse små molekyle-baserede materialer har en tendens til at nedbrydes ret hurtigt, " forklarer Julia Ortony, assisterende professor i MIT's Institut for Materialevidenskab og Engineering (DMSE), "og de er kemisk ustabile, også. Hele strukturen falder fra hinanden, når du fjerner vandet, især når enhver form for ekstern kraft påføres."

Hun og hendes team, imidlertid, har designet en ny klasse af små molekyler, der spontant samles til nanobånd med hidtil uset styrke, bevarer deres struktur uden for vandet. Resultaterne af denne flerårige indsats, som kunne inspirere til en bred vifte af applikationer, blev beskrevet den 21. januar i Nature Nanotechnology af Ortony og medforfattere.

"Dette banebrydende arbejde - som gav unormale mekaniske egenskaber gennem stærkt kontrolleret selvsamling - burde have en stor indflydelse på marken, " hævder professor Tazuko Aida, vicedirektør for RIKEN Center for Emergent Matter Science og professor i kemi og bioteknologi ved University of Tokyo, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Materialet MIT-gruppen konstruerede - eller rettere, lov til at konstruere sig selv - er modelleret efter en cellemembran. Dens ydre del er "hydrofil, "hvilket betyder, at den kan lide at være i vand, hvorimod dens indre del er "hydrofobisk, " hvilket betyder, at den forsøger at undgå vand. Denne konfiguration, Ortony kommentarer, "giver en drivkraft til selvmontering, "Når molekylerne orienterer sig for at minimere interaktioner mellem de hydrofobe områder og vand, som følgelig antager en nanoskala form.

Formen, I dette tilfælde, er tildelt af vand, og normalt ville hele strukturen kollapse, når den tørres. Men Ortony og hendes kolleger kom med en plan for at forhindre det i at ske. Når molekyler er løst bundet sammen, de bevæger sig hurtigt rundt, analog med en væske; efterhånden som styrken af ​​intermolekylære kræfter øges, bevægelse aftager, og molekyler antager en fast-lignende tilstand. Ideen, Ortony forklarer, "er at bremse molekylær bevægelse gennem små modifikationer af de individuelle molekyler, som kan føre til et kollektiv, og forhåbentlig dramatisk, ændring i nanostrukturens egenskaber."

En måde at bremse molekyler på, bemærker Ty Christoff-Tempesta, en ph.d. studerende og første forfatter af papiret, "er at få dem til at klynge sig stærkere til hinanden end i biologiske systemer." Det kan opnås, når et tæt netværk af stærke brintbindinger forbinder molekylerne. "Det er det, der giver et materiale som Kevlar - konstrueret af såkaldte 'aramider' - dets kemiske stabilitet og styrke, " fastslår Christoff-Tempesta.

Ortonys team inkorporerede denne evne i deres design af et molekyle, der har tre hovedkomponenter:en ydre del, der kan lide at interagere med vand, aramider i midten til binding, og en indre del, der har en stærk modvilje mod vand. Forskerne testede snesevis af molekyler, der opfylder disse kriterier, før de fandt det design, der førte til lange bånd med tykkelse på nanometerskala. Forfatterne målte derefter nanobåndenes styrke og stivhed for at forstå virkningen af ​​at inkludere Kevlar-lignende interaktioner mellem molekyler. De opdagede, at nanobåndene var uventet robuste - stærkere end stål, faktisk.

Denne opdagelse fik forfatterne til at spekulere på, om nanobåndene kunne samles for at producere stabile makroskopiske materialer. Ortonys gruppe udtænkte en strategi, hvor tilpassede nanobånd blev trukket ind i lange tråde, der kunne tørres og håndteres. Især Ortonys team viste, at trådene kunne holde 200 gange deres egen vægt og have ekstraordinært høje overfladearealer - 200 kvadratmeter pr. gram materiale. "Dette høje overflade-til-masse-forhold giver løfte om miniaturiseringsteknologier ved at udføre mere kemi med mindre materiale, " forklarer Christoff-Tempesta. Til dette formål, de har allerede udviklet nanobånd, hvis overflader er belagt med molekyler, der kan trække tungmetaller, som bly eller arsen, ud af forurenet vand. Andre indsatser i forskergruppen er rettet mod at bruge bundtede nanobånd i elektroniske enheder og batterier.

Ortony, for hendes vedkommende, er stadig forbløffet over, at de har været i stand til at nå deres oprindelige forskningsmål om at "tune den indre tilstand af stof til at skabe usædvanligt stærke molekylære nanostrukturer." Tingene kunne sagtens være gået den anden vej; disse materialer kan have vist sig at være uorganiserede, eller deres strukturer skrøbelige, ligesom deres forgængere, kun holdes i vand. Men, hun siger, "Vi var spændte på at se, at vores modifikationer af molekylstrukturen faktisk blev forstærket af molekylers kollektive adfærd, skabe nanostrukturer med ekstremt robuste mekaniske egenskaber. Det næste skridt, finde ud af de vigtigste applikationer, bliver spændende."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.