Simulatie van de aantrekkingskracht van zwitterionische ‘Janus-deeltjes’

Onderzoekers van het onderzoekscentrum voor geavanceerde wetenschap en technologie en het instituut voor industriële wetenschappen aan de universiteit van Tokio gebruikten een nieuwe computersimulatie om de elektrostatische zelforganisatie van zwitterionische nanodeeltjes te modelleren, die nuttig zijn voor het afleveren van medicijnen. Ze ontdekten dat het opnemen van tijdelijke ladingsfluctuaties de nauwkeurigheid aanzienlijk verhoogde, wat kan helpen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe zelfassemblerende slimme nanomaterialen.

In de oude Romeinse mythologie was Janus de god van zowel het begin als het einde. Zijn dubbele natuur werd vaak weerspiegeld in zijn afbeelding met twee gezichten. Hij leent ook zijn naam aan zogenaamde Janus-deeltjes, dit zijn nanodeeltjes die twee of meer verschillende fysische of chemische eigenschappen op hun oppervlak bevatten. Een veelbelovende “tweezijdige” oplossing maakt gebruik van zwitterionische deeltjes, dit zijn bollen met een positief geladen kant en een negatief geladen kant. Onderzoekers hopen zelforganiserende structuren te creëren, die kunnen worden geactiveerd door veranderingen in de zoutconcentratie of pH van een oplossing. Dit soort ‘bottom-up’-engineering vereist echter nauwkeurigere computersimulaties om te implementeren.

Nu heeft een team van onderzoekers van het Research Center for Advanced Science and Technology en het Institute of Industrial Science van de University of Tokyo een nieuw computermodel gemaakt dat tijdelijke fluctuaties in de veranderingsverdelingen op het oppervlak van de deeltjes die aanleiding kunnen geven tot tot een grotere verscheidenheid aan structuren, vergeleken met de huidige software. “Het simuleren van de dynamische dissociatie of associatie van ionisatiegroepen is inherent uitdagender en moet herhaaldelijk worden herhaald totdat zelfconsistente resultaten worden verkregen”, zegt eerste auteur Jiaxing Yuan.

De onderzoekers toonden aan dat de vorige methode om aan te nemen dat elk van de deeltjes een constante lading draagt, onnauwkeurige resultaten kan opleveren. Om de mogelijke overgang naar compacte clusters te simuleren, in plaats van uitsluitend langwerpige strengen te produceren, moest de computer kortstondige fluctuaties in oppervlaktelading opnemen. Deze verschillen zijn vooral merkbaar bij een lage zoutconcentratie en een hoge elektrostatische koppelingssterkte.

In levende organismen vouwen eiwitten zich in zeer specifieke vormen, grotendeels gebaseerd op de aantrekkingskracht tussen de positief en negatief geladen gebieden. In de toekomst kunnen kunstmatig ontworpen deeltjes zichzelf samenvoegen wanneer ze worden geactiveerd door een verandering in de omstandigheden. “Met zwitterionische deeltjes hopen we functionele materialen te creëren met afstembare eigenschappen, vergelijkbaar met de zelforganisatie van geladen eiwitten”, zegt senior auteur Hajime Tanaka.

Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.