TEM-bilder av självmonterande nanostrukturer och deras rekombinationer, i falska färger. Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
OIST-forskare skapar självmonterande molekyler som kan brytas ned av ultraviolett ljus för att rekombineras till nya makroskopiska former.
Traditionell kemi är oerhört kraftfull när det gäller att producera mycket olika och mycket komplexa mikroskopiska kemiska molekyler. Men en sak utom räckhåll är syntesen av stora strukturer upp till den makroskopiska skalan, vilket skulle kräva enorma mängder kemikalier samt en utarbetad och komplicerad teknik. För det här syftet, forskare förlitar sig istället på "självmonterande" molekyler, föreningar som kan interagera med andra kopior av sig själva för att spontant samlas i sfärer, rör eller andra önskade former. Genom att använda detta tillvägagångssätt, forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) rapporterar nu in Kemisk kommunikation nya självmonterande molekyler som kan förvandlas till nya, exotiska och tidigare oobserverade former genom att helt enkelt använda UV-ljus för att tvinga dem att omordnas annorlunda till "metastabila" tillstånd.
När du designar självmonterande strukturer, forskare siktar vanligtvis på tillståndet med lägst energi – eller "grundtillstånd, " där strukturen skulle ha sin högsta stabilitet. Mindre stabila former avfärdas vanligtvis som felaktiga och oönskade. detta "grundtillstånd" som är mycket stabilt gör det svårt att bryta ner strukturen om du vill ändra dess form. I denna forskning, OIST-forskare infogade en svaghet i sina självmonterade strukturer i marktillstånd, vilket resulterar i strukturer som bara kräver en liten knuff för att kollapsa. I detta fall, knuffen är användningen av ultraviolett ljus för att klippa av en specifik bindning mellan två atomer i molekylen, dela upp strukturen i mindre fragment. Fragmenten kan sedan sammanfogas till mindre stabila – kallade metastabila – men nya och exotiska former.
Använder UV-ljus för att bryta ner självmonterande molekyler till sammonterande fragment. Molekylerna 1 och 2 kan självmontera separat till nanostrukturer. Exponeringen för UV-ljus kommer att störa dessa nanostrukturer genom att dela 1 i kortare fragment 3 och 4, och dela 2 i 4 och 5. Den nya blandningen av kortare fragment kan spontant rekombineras till nya former. Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
"Denna rapport handlar om ett nytt koncept inom materialvetenskap, " förklarade prof. Zhang från Bioinspired Soft Matter Unit och författaren till studien. "Vi omvandlade ett självmonterande fenomen till sammontering på ett rumsligt och tidsmässigt kontrollerbart sätt med hjälp av ljus. Så småningom, vi konstruerade exotiska heterogena nanostrukturer otillgängliga genom konventionell syntetisk väg."
Detta nya koncept ledde till en fascinerande upptäckt:eftersom de återstående fragmenten är tätt packade efter kollapsen från den ursprungliga strukturen, de kan bilda nya och exotiska strukturer som inte går att uppnå om man bara blandar samma molekyler i fri rörelse. Föreställ dig dessa nanostrukturer gjorda av legoklossar:till en början har du 2x5 klossar - 2 dubbar breda och 5 dubbar långa - självmonterande till en nanofiber. Ultraviolett ljus kommer att dela dessa 2x5 tegelstenar i två mindre bitar, till exempel en 2x3 tegelsten och en 2x2 tegelsten, förstör hela den fiberliknande strukturen. Men eftersom dessa mindre tegelstenar förblir förorganiserade rumsligt nära varandra, de kan enkelt kombinera sig själva till nya former som är synliga med blotta ögat. I kontrast, om du i ett separat experiment bara blandar 2x3 och 2x2 legoklossar på ett slumpmässigt sätt i en hink med varierande avstånd mellan klossarna, deras brist på rumslig organisation förhindrar sammansättningen av sådana nya nanostrukturer.
Enligt prof. Zhang, förmågan att skapa nya strukturer är avgörande:"Inom materialvetenskap, funktionen är alltid relaterad till strukturen. Om du skapar en annan struktur, du manipulerar funktionen och skapar till och med nya applikationer." Till exempel, toxiciteten hos en molekyl i en nanofiberform kan vara mycket lägre eller högre än samma molekyl sammansatt i en sfärisk form."
Induktion av nya makroskopiska former från fragmenten av den initiala självmonterade strukturen. Gul-pilad bana från 1 till 3:En initial fiberliknande struktur skapas (1), bryts sedan ned med UV-ljus (lila belysningssymbol). Eftersom de är tätt packade i efterdyningarna av den kollapsande strukturen (2), dessa fragment samlas igen till mer mångsidiga och större former (3). Gråpilad väg från 4 till 5:Att bara blanda samma molekyler i fri rörelse i ett lösningsmedel (4) resulterar inte i samma variation och storlek på nanostrukturer (5). Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
Den nuvarande forskningen som utförs vid OIST tyder starkt på att de initiala förhållandena är den mest kritiska parametern som påverkar den slutliga formen som tas av självmonterande molekyler. "Om du vet hur molekylerna packas med varandra från parametrarna för det initiala tillståndet, då kommer det att ge dig fler ledtrådar för att sikta mot en specifik makroskopisk form, " kommenterade prof. Zhang.
Denna formförändringsförmåga har stor potential för biologiska tillämpningar. Prof. Zhang föreslog, "Till exempel introducerar du molekylen i en levande organism och den antar en viss struktur. Sedan använder du ljus, du bryter en kemisk bindning och sedan byter molekylen till en annan struktur med den funktion du vill ha."
Inom läkemedelsdesign, ett sådant koncept skulle tillåta ett läkemedel att nå sitt mål i en levande organism – ett organ eller en tumör – i ett inaktivt tillstånd, vilket begränsar potentiella biverkningar. När den är uppdelad på denna inriktade plats, drogen skulle omforma sig själv till en annan struktur med terapeutisk aktivitet.
Prof. Zhang avslutade, "Tills vidare, att använda ultraviolett ljus som vi gör är inte idealiskt eftersom det är giftigt för levande celler. Nästa steg för oss är att gå mot mer biokompatibla självmonterande strukturer med bättre anpassningsförmåga till levande system."
