Forskare vid University of Illinois och University of Massachusetts, Amherst har tagit de första stegen mot att få kontroll över självmontering av syntetiska material på samma sätt som biologi bildar naturliga polymerer. Detta framsteg kan visa sig vara användbart för att designa nya bioinspirerade, smarta material för tillämpningar som sträcker sig från läkemedelstillförsel till avkänning till sanering av miljöföroreningar.

Proteiner, som är naturliga polymerer, använda aminosyrabyggstenar för att länka samman långa molekylkedjor. Den specifika platsen för dessa byggstenar, kallas monomerer, inom dessa kedjor skapar sekvenser som dikterar en polymers struktur och funktion. I journalen Naturkommunikation , forskarna beskriver hur man använder konceptet med monomersekvensering för att kontrollera polymerstruktur och funktion genom att dra fördel av en egenskap som finns i både naturliga och syntetiska polymerer - elektrostatisk laddning.

"Proteiner kodar information genom en exakt sekvens av monomerer. denna exakta kontroll över sekvensen är mycket svårare att kontrollera i syntetiska polymerer, så det har funnits en gräns för kvaliteten och mängden information som kan lagras, sade Charles Sing, en professor i kemisk och biomolekylär teknik vid Illinois och en studie medförfattare. "Istället, vi kan kontrollera laddningsplaceringen längs de syntetiska polymerkedjorna för att driva självmonteringsprocesser."

"Vår studie fokuserar på en klass av polymerer, kallade koacervater, som separerar som olja och vatten och bildar en gelliknande substans, sa Sarah Perry, en studie medförfattare och University of Massachusetts, Amherst kemiteknik professor, samt en alumn från Illinois.

Genom en serie experiment och datorsimuleringar, forskarna fann att egenskaperna hos de resulterande laddade gelerna kan ställas in genom att ändra sekvensen av laddningar längs polymerkedjan.

"Tillverkare använder vanligtvis koacervat i kosmetika och livsmedelsprodukter för att kapsla in smaker och tillsatser, och som ett sätt att kontrollera "känslan" av produkten, " sa Sing. "Utmaningen har varit om de behöver ändra strukturen eller tjockleken, de skulle behöva ändra materialet som används."

Sing och Perry visar att de kan omorganisera strukturen på polymerkedjorna genom att justera deras laddning för att konstruera de önskade egenskaperna. "Det här är hur biologi gör livets oändliga mångfald med bara ett litet antal molekylära byggstenar, ", sa Perry. "Vi föreställer oss att detta bioinspirationskoncept fullbordas genom att använda koacervat i biomedicinska och miljömässiga tillämpningar."

Resultaten av denna forskning öppnar ett enormt antal möjligheter att utöka mångfalden av polymerer som används och omfattningen av tillämpningar, sa forskarna. "För närvarande, vi arbetar med material på makroskalan - saker som vi kan se och röra vid, ", sa Sing. "Vi hoppas kunna expandera det här konceptet till nanoteknikens område, också."