Jako by magií

Naprogramované nanočástice se organizují do vysoce komplexních nanostruktur

Elektronový mikrograf "housenkové micely". © Research Group Axel Müller
číst nahlas

Fotbaly, řetězy a housenky - určité makromolekuly tvoří nanočástice, které se zase samy sestavují do předem určených struktur. Německý tým vědců nyní popsal v časopise „Nature“ proces, ve kterém mohou být tyto struktury konkrétně formulovány a zkoumány. Účelem četných kombinačních možností je umožnit nováčkům používat nové technologie.

Pokud se mýdlo rozpustí ve vodě, molekuly mýdla se shromažďují v kulovitých kapičkách zvaných micely. Vznikají kvůli rozdílné rozpustnosti molekulárních konců: jeden konec je rozpustný ve vodě a směřuje ven směrem k vodě. Druhý konec je rozpustný v tucích, a proto odpuzuje vodu. Tyto konce molekul se shlukují uvnitř micely. Takové micely jsou jedním z nejjednodušších příkladů toho, jak se molekuly spojují a vytvářejí nadřazené struktury. Tento proces se nazývá segregace.

Nanotechnologie se pokouší duplikovat tento konstruktivní princip z malých stavebních bloků na koherentní struktury využíváním schopnosti nanočástic se strukturovat. Výsledky výzkumných týmů z různých německých univerzit by nyní měly pomoci lépe porozumět těmto procesům. Vědci zkoumali, jak struktura jednotlivých stavebních bloků ovlivňuje tvar, který je výsledkem vlastní agregace.

Od makromolekul k nanočásticím

Výchozím bodem pro nyní publikovaný princip segregace jsou takzvané triblokové terpolymery, řetězové makromolekuly o velikosti mezi 10 a 20 nanometry. Tyto moduly se skládají ze tří lineárních „bloků“, které jsou spojeny řetězovým způsobem. Výzkumná skupina byla schopna přimět takové třídílné makromolekuly k sestavení do nanočástic o průměru kolem 50 nanometrů.

Vědci použili dva různé typy „triblock terpolymerů“. Liší se pouze uprostřed tří jednotlivých bloků: jedna makromolekula má strukturu "A - B - C", ostatní strukturu "A - D - C". První z nich se sdružuje s jinými makromolekulami na jednom místě. Výsledkem je, že se nacházejí v kulovitých nástavbách připomínajících fotbalové míče. Druhá sekvence bloků poskytuje dvě vazebná místa, organizující stavební bloky do řetězových nebo červovitých superstruktur. zobrazit

Důležité je, že v obou případech je struktura výsledných nanočástic předprogramována základními makromolekuly, stejně jako struktura proteinu je předurčena sekvencí aminokyselin. Typ jednotlivých stavebních bloků určuje typ celkové struktury.

Směs to dělá: Od nanočástic k "housenkovým micelám"

Přehled předprogramovaných agregačních procesů: Struktury A B C a A D C, triblokových terpolymerů, podstoupí dva různé typy nanočástic pomocí segregace out. Odděleně jeden od druhého vedou další procesy samoorganizace k sférickým („míčovým“) nebo řetězovým superstrukturám („červ“). Když jsou nanočástice smíchány, dochází ke společné agregaci: vzniká zcela nová nadstruktura, která je velmi podobná housence motýlů. Research Group Axel M ller // Foto housenky motýla: Anest, s licencí od Shutterstock.com

Ale s nohama a ohřívači proces sebakompenzace ještě neskončil.

V dalším kroku polymerní chemici smísili dva různě strukturované stavební bloky, takže společně tvoří zcela novou nadstavbu. V něm se střídají přesně definované prvky fotbal a červ. Toto společné uspořádání různých stavebních bloků je to, co vědci nazývají ko-agregace.

Nově vznikající nadstavba má silnou podobnost s motýlí housenkou pod elektronovým mikroskopem. Toto také sestává z jasně oddělených, pravidelně po sobě jdoucích sekcí. Výzkumná skupina proto pro tuto velkou strukturu vytvořenou společnou agregací vytvořila termín „housenka micela“.

Kombinace jsou nekonečné

Housenkové micely nejsou v žádném případě jedinými velkými strukturami, které lze vyrobit z nanočástic vytvořených vlastní agregací. „Tyto nanočástice mohou být také kombinovány například s anorganickými nebo biologickými nanočásticemi a mikročásticemi, což vede k dříve neznámým funkčním materiálům. Možnosti kombinace jsou nekonečné, “říká M ller.

Obzvláště atraktivní je množství makromolekul, které přicházejí jako základní stavební blok. Mohou být použity pro směrování specifických funkcí do cílených velkých struktur. Takové struktury mohou být citlivé na světlo nebo teplotu nebo dokonce reagovat na elektrická nebo magnetická pole. U takových přepínatelných nanočástic je například myslitelné uvolňovat léčiva specificky v konkrétních časech a na určitých místech v těle.

Makromolekuly, které jsou dostupné pro výzkum polymerů jako nosiče určitých funkcí, mohou být stokrát menší než jeden mikrometr. Jemnost struktur vyšší úrovně, které z nich v konečném důsledku vycházejí, je odpovídajícím způsobem vysoká. „Budoucí technologie, jako jsou přizpůsobené umělé buňky, tranzistory nebo mikro / nano-robotické prvky, mohou výrazně zvýšit tento limit nízkého rozlišení zisk, “vysvětluje M ller.

(Nature, 2013; doi: 10, 1038 / příroda12610)

(University of Bayreuth, 04.11.2013 - AKR)