Onderzoekers construeren moleculaire nanovezels die sterker zijn dan staal

Zelfassemblage is alomtegenwoordig in de natuurlijke wereld en dient als een route om georganiseerde structuren te vormen in elk levend organisme. Dit fenomeen is bijvoorbeeld te zien wanneer twee strengen DNA – zonder enige externe aansporing of begeleiding – samenkomen om een ​​dubbele helix te vormen, of wanneer grote aantallen moleculen zich combineren om membranen of andere vitale cellulaire structuren te creëren. Alles gaat naar zijn rechtmatige plaats zonder dat een onzichtbare bouwer alle onderdelen een voor een in elkaar moet zetten.

De afgelopen decennia hebben wetenschappers en ingenieurs het voorbeeld van de natuur gevolgd en moleculen ontworpen die zichzelf in water assembleren, met als doel nanostructuren te maken, voornamelijk voor biomedische toepassingen zoals medicijnafgifte of weefselmanipulatie. “Deze materialen op basis van kleine moleculen worden nogal snel afgebroken”, legt Julia Ortony, assistent-professor aan het Department of Materials Science and Engineering (DMSE) van het MIT, uit, “en ze zijn ook chemisch onstabiel. De hele structuur valt uit elkaar als je verwijder het water, vooral als er een externe kracht wordt uitgeoefend. “

Zij en haar team hebben echter een nieuwe klasse van kleine moleculen ontworpen die spontaan worden geassembleerd tot nanoribbons met een ongekende kracht, en hun structuur behouden buiten het water. De resultaten van deze meerjarige inspanning, die een breed scala aan toepassingen zou kunnen inspireren, werden op 21 januari beschreven in Nature Nanotechnology door Ortony en co-auteurs.

“Dit baanbrekende werk – dat abnormale mechanische eigenschappen opleverde door middel van zeer gecontroleerde zelfassemblage – zou een grote impact op het veld moeten hebben”, stelt professor Tazuko Aida, adjunct-directeur van het RIKEN Center for Emergent Matter Science en hoogleraar scheikunde en biotechnologie aan de Universiteit van Tokio, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Het materiaal dat de MIT-groep heeft geconstrueerd – of beter gezegd, zichzelf mag construeren – is gemodelleerd naar een celmembraan. Het buitenste deel is “hydrofiel”, wat betekent dat hij graag in water is, terwijl het binnenste deel “hydrofoob” is, wat betekent dat het water probeert te vermijden. Deze configuratie, aldus Ortony, “verschaft een drijvende kracht voor zelfassemblage”, aangezien de moleculen zich oriënteren om interacties tussen de hydrofobe gebieden en water te minimaliseren, en bijgevolg een vorm op nanoschaal aannemen.

De vorm wordt in dit geval verleend door water, en gewoonlijk zou de hele structuur bij het drogen instorten. Maar Ortony en haar collega’s bedachten een plan om dat te voorkomen. Wanneer moleculen losjes aan elkaar zijn gebonden, bewegen ze zich snel, analoog aan een vloeistof; naarmate de kracht van intermoleculaire krachten toeneemt, vertraagt ​​de beweging en nemen moleculen een vaste toestand aan. Het idee, legt Ortony uit, “is om de moleculaire beweging te vertragen door middel van kleine aanpassingen aan de individuele moleculen, wat kan leiden tot een collectieve en hopelijk dramatische verandering in de eigenschappen van de nanostructuur.”

Een manier om moleculen te vertragen, merkt Ty Christoff-Tempesta op, een Ph.D. student en eerste auteur van het artikel, “is om ze sterker aan elkaar te laten hechten dan in biologische systemen.” Dat kan worden bereikt wanneer een dicht netwerk van sterke waterstofbruggen de moleculen met elkaar verbindt. “Dat is wat een materiaal als Kevlar – gemaakt van zogenaamde ‘aramiden’ – zijn chemische stabiliteit en sterkte geeft”, zegt Christoff-Tempesta.

Het team van Ortony nam die mogelijkheid op in hun ontwerp van een molecuul dat drie hoofdcomponenten heeft: een buitenste deel dat graag in wisselwerking staat met water, aramiden in het midden om te binden en een binnenste deel dat een sterke afkeer heeft van water. De onderzoekers testten tientallen moleculen die aan deze criteria voldeden voordat ze het ontwerp vonden dat leidde tot lange linten met een dikte op nanometerschaal. De auteurs hebben vervolgens de sterkte en stijfheid van de nanoribbons gemeten om de impact te begrijpen van het opnemen van Kevlar-achtige interacties tussen moleculen. Ze ontdekten dat de nanoribbons onverwacht stevig waren, sterker dan staal.

Deze bevinding bracht de auteurs ertoe zich af te vragen of de nanoribbons konden worden gebundeld om stabiele macroscopische materialen te produceren. De groep van Ortony bedacht een strategie waarbij uitgelijnde nanoribbons in lange draden werden getrokken die konden worden gedroogd en gehanteerd. Met name het team van Ortony toonde aan dat de draden 200 keer hun eigen gewicht konden dragen en buitengewoon hoge oppervlaktes hebben: 200 vierkante meter per gram materiaal. “Deze hoge verhouding tussen oppervlakte en massa is veelbelovend voor miniaturiseringstechnologieën door meer chemie uit te voeren met minder materiaal”, legt Christoff-Tempesta uit. Daartoe hebben ze al nanoribbons ontwikkeld waarvan de oppervlakken zijn bedekt met moleculen die zware metalen, zoals lood of arseen, uit vervuild water kunnen trekken. Andere inspanningen van het lectoraat zijn gericht op het gebruik van gebundelde nanoribbons in elektronische apparaten en batterijen.

Ortony, van haar kant, is nog steeds verbaasd dat ze in staat zijn geweest om hun oorspronkelijke onderzoeksdoel te bereiken: “het afstemmen van de interne toestand van materie om uitzonderlijk sterke moleculaire nanostructuren te creëren”. Het had gemakkelijk de andere kant op kunnen gaan; het kan zijn dat deze materialen ongeorganiseerd blijken te zijn, of dat hun structuren, net als hun voorgangers, kwetsbaar zijn en alleen in water kunnen blijven. Maar, zegt ze, “we waren opgewonden om te zien dat onze wijzigingen in de moleculaire structuur inderdaad werden versterkt door het collectieve gedrag van moleculen, waardoor nanostructuren ontstonden met extreem robuuste mechanische eigenschappen. De volgende stap, het uitzoeken van de belangrijkste toepassingen, zal opwindend zijn. . ”