Eerste real-time visualisatie van nanovezel zelf assemblage onthult belangrijke stappen in de vorming van supramoleculaire gels

Stel je voor dat materialen zich opbouwen, intelligent reageren op hun omgeving om drugs te leveren waar nodig, steiger -regenererende weefsels of vervuilende stoffen opruimen. Dit zijn de beloften van supramoleculaire gels, fascinerende zachte materialen gevormd door de spontane zelfassemblage van kleine moleculen.

Maar hoe komen deze ingewikkelde structuren precies voort uit een schijnbaar willekeurige soep van moleculen? Jarenlang bleef dit fundamentele proces verborgen, te snel en op een te kleine schaal om te observeren.

Nu, voor het eerst, heeft een collaboratief onderzoeksteam in Japan het hele nanoschaaldrama van supramoleculaire gelvorming in realtime vastgelegd. Met behulp van de buitengewone mogelijkheden van high-speed atomaire krachtmicroscopie (HS-AFM), in staat om moleculaire gebeurtenissen op te nemen terwijl ze zich voordoen, creëerden de onderzoekers een verbluffende “moleculaire film” die de geheimen van gelatie onthulden. De bevindingen zijn gepubliceerd in het dagboek Natuurcommunicatie.

De beelden leverden een verrassing, waardoor eerdere veronderstellingen werden vernietigd. Wetenschappers verwachtten kleine, dunne fibrillen eerst te zien vormen, geleidelijk verdikt in de uiteindelijke gelvezels. In plaats daarvan vertoonde de HS-AFM-film relatief dikke supramoleculaire vezels rechtstreeks uit de oplossing verschenen, waardoor de tussenstap zich volledig oversloeg.

Nog intrigerend, deze vezels groeiden in bijzondere uitbarstingen – vooruit racen, onverwacht pauzeren en vervolgens hun snelle groei hervatten. Dit unieke “stop-and-go” -gedrag liet doorschemeren in een volledig nieuw assemblagemechanisme. Om deze moleculaire dans te ontcijferen, stelden de onderzoekers een nieuw ‘blokstackmodel’ voor. Deze theorie suggereert dat moleculaire bouwstenen alleen efficiënt op de vezelpunt kunnen stapelen wanneer het oppervlak ongelijk of “ruw” is.

Wanneer de tip tijdelijk soepel wordt tijdens de groei, stapelt u pauzes op tot er zich nieuwe onregelmatigheden vormen, waardoor groei opnieuw kan worden gestart. Dit elegante model werd verder gevalideerd als computersimulaties op basis daarvan, reproduceerde perfect de waargenomen stop-and-go dynamiek.

Het team graaft dieper met kwantitatieve beeldanalyse en bracht de twee verschillende stadia van gelatie in kaart: een initiële “nucleatie” -fase waarbij moleculen zich in stabiele zaden clusteren, gevolgd door de “groei” -fase waar vezels van deze zaden verlengen. Hun analyse was zo nauwkeurig dat ze zelfs het kritieke, kleine aantal moleculen konden schatten dat nodig was om een ​​stabiele kern te vormen-een zeldzaam en waardevol inzicht in de allereerste momenten van zelfassemblage.

Het vermogen om rechtstreeks getuige te zijn van dit moleculaire assemblageproces, in plaats van het af te leiden uit indirecte metingen, levert ondubbelzinnig bewijs voor hoe supramoleculaire gelatie echt optreedt.

Door een duidelijk beeld te geven van de assemblagepad, biedt dit onderzoek een krachtige nieuwe toolkit voor het ontwerpen van de volgende generatie supramoleculaire gels. Wetenschappers kunnen nu mogelijk geleigenschappen regelen – zoals stijfheid, responsiviteit of snelheid van geneesmiddelen – door te richten op specifieke fasen van het vormingsproces dat in deze studie is onthuld. Dit maakt de weg vrij voor het versnellen van de ontwikkeling van slimmere, effectievere materialen voor kritische toepassingen in geneeskunde, biotechnologie en sanering van het milieu.