Molekulární nanovlákna inspirovaná kevlarem, která jsou silnější než ocel

Vlastní sestavení molekul inspirovaných kevlarem vede ke strukturám se silnými vlastnostmi, které nabízejí nové materiály pro aplikace v pevné fázi.

Samosestavování je všude v přírodním světě a slouží jako způsob vytváření organizovaných struktur v každém živém organismu. Tento jev lze vidět například ve dvou řetězcích DNA: – bez jakékoli vnější stimulace nebo vedení – spojte se և vytvořte dvojitou spirálu, nebo když se spojí velké množství molekul a vytvoří membrány nebo jiné životně důležité buněčné struktury. Všechno jde na své oprávněné místo, aniž by neviditelný stavitel dal dohromady všechny kousky najednou.

V posledních několika desetiletích následovali vědci a inženýři příklad přírody tím, že navrhli molekuly, které se hromadí ve vodě, aby vytvořily nanostruktury, zejména pro biomedicínské aplikace, jako je dodávka léků nebo tkáňové inženýrství. „Tyto materiály na bázi malých molekul mají tendenci se poměrně rychle rozkládat,“ vysvětluje asistentka Ulia Ortonová, asistentka S:Department of Materials Science and Engineering (DMSE), „jsou také chemicky nestabilní. Při demontáži konstrukce se celá konstrukce zhroutí, zejména při použití jakéhokoli druhu vnější síly. “

On a jeho tým však navrhli novou třídu malých molekul, které automaticky sestavují nanoribony s nebývalou silou a udržují jejich strukturu mimo vodu. Výsledky tohoto víceletého úsilí, které by mohlo inspirovat širokou škálu aplikací, byly popsány 21. ledna 2021. Přírodní nanotechnologie Autor: Ortoni և Spoluautoři.

Profesor Jul Ulia Orton (vlevo) և Postgraduální student Yukio Cho. Orton: a jeho tým navrhli novou třídu malých molekul, které se automaticky shromažďují do nanoribonů nebývalé síly a udržují jejich strukturu mimo vodu. Půjčka: Lee Hopkins

„Tato semestrální práce, která dala abnormální mechanické vlastnosti díky vysoce kontrolované vlastní montáži, musí mít zásadní dopad na pole,“ řekl profesor Tazuko Aida, zástupce ředitele RIKEN Center for Emergency Sciences a profesor chemie a biotechnologie, University of Tokio, které se nezúčastnilo výzkumu.

Materiál, který byl sestrojen skupinou MIT, respektive umožněn samostatným budováním, je modelován podle buněčné membrány. Jeho vnější část je „hydrofilní“, což znamená, že je ráda ve vodě, a její vnitřní část je „hydrofobní“, tj. Snaží se vyhýbat vodě. Podle Ortoniho tato konfigurace „poskytuje hnací sílu pro vlastní montáž“, protože se molekuly orientují tak, aby minimalizovaly interakci hydrofobních oblastí s vodou, čímž získávají sílu v nanoměřítku.

Postgraduální student Thai Christoph-Tempesta pracuje v laboratoři.
Půjčka: Lee Hopkins

Vejce v tomto případě dodává vodu, obvykle celá struktura vysuší a zhroutí se. Ale Orton a jeho kolegové si mysleli, že se to nestane. Když jsou molekuly volně připojeny k sobě, pohybují se rychle jako kapalina. Jak se zvyšuje síla mezimolekulárních sil, pohyb se zpomaluje, և molekuly ztuhnou. Orton vysvětluje, že myšlenkou je „zpomalit molekulární pohyb malými změnami v jednotlivých molekulách, což může vést ke kolektivní, doufám, drastické změně ve vlastnostech nanočástic.“

Jedním ze způsobů, jak zpomalit molekuly, říká PhD, Ph.D. Christoph-Tempesta, „je držet je pevněji než v biologických systémech“. Toho lze dosáhnout, když hustá síť silných vodíkových vazeb váže molekuly dohromady. „Dává materiálu podobnému kevlaru, vyrobenému z takzvaných„ aramidů “, jeho chemickou stabilitu a sílu,“ říká Christoph-Tempesta.

Ortoniho tým zahrnul tuto vlastnost do návrhu molekuly se třemi hlavními složkami. Vnější část, která ráda interaguje s vodou, aramidy, které se vážou, vnitřní část, která má silnou averzi vůči vodě. Vědci testovali desítky molekul, které splňovaly tato kritéria, než našli design, který vedl k dlouhým pásmům tlustým nanometrem. Autoři poté změřili sílu a tuhost nanoribonů, aby pochopili účinek zahrnutí kevlarových interakcí mezi molekulami. Zjistili, že nanoribony byly nečekaně silné. Ve skutečnosti byli silnější než ocel.

Tento objev podnítil autory, aby zvážili, zda lze nanoribony zabalit tak, aby vytvářely stabilní makroskopické materiály. Ortoniho tým vyvinul strategii, pomocí které byly zarovnané nanoribony nataženy do dlouhých pramenů, které mohly být sušeny a zpracovány. Je pozoruhodné, že Ortoniho tým ukázal, že nitě mohou vážit 200krát těžší, mají neobvykle vysoké povrchy – 200 g čtvercového materiálu. „Tento vysoký poměr povrchu k hmotnosti slibuje miniaturní technologie, které produkují méně chemie s menším množstvím materiálu,“ vysvětluje Christoph-Tempesta. Za tímto účelem již vyvinuli nanoribony, jejichž povrchy jsou pokryty molekulami, které mohou z kontaminované vody odstraňovat těžké kovy, jako je olovo nebo arsen. Další snahy výzkumného týmu se zaměřují na použití integrovaných nanoribonů v elektronických zařízeních a bateriích.

Orton je zase stále ohromen tím, že dokázali dosáhnout svého původního výzkumného cíle „regulace vnitřního stavu hmoty za účelem vytvoření výlučně silných molekulárních nanostruktur“. Věci mohly snadno jít opačným směrem. Bylo prokázáno, že tyto materiály jsou neuspořádané nebo jsou jejich struktury křehké, stejně jako předchozí, pouze ve vodě. Ale říká: „byli jsme rádi, že naše změny v molekulární struktuře byly skutečně posíleny kolektivním chováním molekul a vytvářely tak nanostruktury s extrémně silnými mechanickými vlastnostmi.“ Další krok, zjištění nejdůležitějších použití, bude vzrušující. “

Odkaz. „Samosestavování aramidových amfifilů v extrémně stabilních nanoribonech և zarovnaná vlákna nanovláken“ autorů Ty Christoff-Tempesta, Yukio Cho, Dae-Yoon Kim, Michela Geri, Guillaume Lamour, Andrew J. Lew, Xiaobing Zuo, William R. Lindemann a Julia H. Ortony, 18. ledna 2021, Přírodní nanotechnologie,
DOI: 10.1038 / s41565-020-00840-w:

Práce byla podpořena grantovým programem National Science Foundation, profesorem Amarem G. Bose Research և Abdul Latif Jameel Water ի Food Systems Laboratory (J-WAFS).