Ny klasse af svampede materialer kan selv samles til præcist kontrollerbare strukturer

Et team af forskere ledet af University of Massachusetts Amherst har hentet inspiration fra en bred vifte af naturlige geometriske motiver – inklusive dem af 12-sidede terninger og kartoffelchips – for at udvide et sæt velkendte designprincipper til et helt nyt klasse af svampede materialer, der selv kan samles til præcist kontrollerbare strukturer.

Deres teori og beregningsmodel, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , giver mulighed for maksimal designøkonomi eller den størst mulige struktur ved at bruge det færreste antal programmerbare, selvsamlende stykker.

En af materialevidenskabens hellige gral er at efterligne naturens evne til at danne robuste, komplekse selvsamlende materialer, der så kan skabe strukturer, der er i stand til en bred vifte af funktioner. Tænk på de krystallinske nanostrukturer, der dannes på en sommerfugls vinger, og hvis præcise form og størrelse bestemmer nøjagtigt, hvilke bølgelængder af lys der skal reflekteres, hvilket giver forskellige arter deres karakteristiske markeringer.

"Vi blev inspireret af virus-selvsamling," siger Greg Grason, professor i polymervidenskab ved UMass Amherst og avisens seniorforfatter.

"Selvom nogle vira kan udgøre risici fra et sundhedsmæssigt perspektiv, har de et utroligt 'selvlukkende' design. Mange har en stiv, meget symmetrisk sfærisk skal, og denne skal er bygget af det færrest mulige antal proteinarrangementer. Skallen er også lige den rigtige størrelse - større, og den ville ikke være i stand til at inficere sin vært mindre, og virussen ville ikke være kraftig nok perfekt form, ligesom virus – bortset fra at vi ønsker at konstruere helt andre typer geometrier."

Grason og hans team, herunder kolleger ved Brandeis- og Syracuse-universiteterne, samt co-lead-forfatterne Carlos M. Duque og Douglas M. Hall, som begge afsluttede denne forskning som en del af deres kandidatstudier ved UMass Amherst, er næppe de første at blive inspireret af vira.

Tilbage i 1960'erne indså et par strukturbiologer ved navn Donald Caspar og nobelprisvinderen Aaron Klug, inspireret af Buckminster Fullers berømte geodætiske kupler, at strukturen af ​​hans kupler også beskrev virusskaller. De fortsatte med at udlede et sæt designprincipper, kaldet Caspar-Klug-symmetriprincipperne, der beskriver, hvordan man bygger en struktur, der omslutter det størst mulige volumen med det færreste antal byggeklodser.

"Inspireret af skønheden og elegancen ved Caspar-Klug-konstruktionen til icosaedriske virale skaller, udviklede vi en køreplan for at finde økonomiske designregler, der kan hjælpe os med at konstruere en bred vifte af meget nyttige nanostrukturer," siger Duque.

Caspar-Klug symmetriprincippet beskriver dog kun strukturer med positive krumninger eller former, som en kuppel, der buer indad i alle retninger.

"Vi spekulerede på, hvad der ville ske, hvis du inverterer krumningen, så kurverne løber i modsatte retninger fra hinanden, som en Pringles kartoffelchip," siger Grason.

"Hvilke typer af selvlukkende geometrier kunne dannes med negativ krumning, og kunne de bevare økonomien i Caspar-Klug-forsamlingen?"

Strukturer med denne form for negativ krumning har en svampet struktur bygget af indbyrdes forbundne huller og rør, og de er faktisk tæt beslægtede med de fotoniske nanostrukturer, der dannes i sommerfugles vingeskæl.

For at besvare deres spørgsmål designede Grason og hans medforfattere en beregningsmodel, som viste, at strukturer med en tredobbelt periodisk negativ krumning faktisk kunne bevare den samlingsøkonomi, som Caspar og Klug observerede i sfæriske vira.

"Vi er i stand til at udvide økonomien ved former med en positiv krumning til et meget mere komplekst sæt af strukturer, der kan realiseres ved at samle 'programmerbare' byggeklodser, der kan laves ved hjælp af fremgangsmåderne fra DNA-nanoteknologi eller de novo proteindesign ," siger Grason.

"Vores arbejde modellerer samlingsprocessen," siger Hall.

"Først samles et par byggeklodser for at danne en negativt buet plet, som en kartoffelchip med ru kanter. Efterhånden som plastret vokser, lukker overfladen sig om sig selv og danner kanaler, der strækker sig i alle tre dimensioner. Den meget regelmæssige række af kanaler er det, der giver mulighed for nye potentielle materialer med strålende farver eller evnen til at dæmpe lyde."

Flere oplysninger: Carlos M. Duque et al., Limits of economy and fidelity for programmerbar samling af størrelseskontrollerede tredobbelte periodiske polyedre, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315648121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Massachusetts Amherst