Forskare vid Oak Ridge National Laboratory och University of Tennessee fick en sällsynt titt på det inre av polymersjälvmontering vid ett olje-vattengränssnitt för att utveckla material för neuromorfa datorer och bioinspirerade teknologier.

Resultat publicerade i Journal of the American Chemical Society ge nya insikter om hur molekyler packar och ordnar sig i "avstämbara" gränssnitt, monolagertjocka ytor med strukturer som kan modifieras för specifika funktionaliteter.

"Att förstå designreglerna för kemin som sker vid vätske-vätska-gränssnittet informerar i slutändan hur vi kan göra nya material med anpassade egenskaper, " sa Benjamin Doughty från ORNL:s avdelning för kemiska vetenskaper.

Studien utökar intresset för att använda mjuka material för att efterlikna lipiddubbelskikt – selektiva membran med viktiga biologiska funktioner, som att bearbeta signaler över hjärnans neurala nätverk och transportera joner, proteiner, och andra molekyler över celler.

Medförfattare designade tidigare biomimetiska membran med lipidbelagda vattendroppar i olja och visade deras potential som sensoriska komponenter för neuromorfa, eller hjärnliknande, datorer med naturlig informationsbehandling, inlärning och minne.

"Eftersom lipider till sin natur är ömtåliga och sönderfaller, vi är intresserade av att utveckla polymerbaserade motsvarigheter som erbjuder stabilitet och som också kan ge oss en rad naturliga funktioner, "sa Pat Collier från ORNL:s Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility.

Utan kunskap om gränssnittskemi, dock, Att skapa funktionella dubbelskikt från naturliga eller syntetiska molekyler innebär en viss grad av mystik. Kemiska arter som interagerar i en bägare med lösning kan eller kanske inte bildar analoga membran med selektiva egenskaper, såsom förmågan att lagra eller filtrera sensoriska impulser som utgör det icke-digitala språket för neuromorfisk beräkning.

"För att kunna träna molekyler för specifika ändamål och låsa upp nya funktioner, vi måste förstå vad som händer på molekylär nivå under självmontering, sa Collier.

För experimentet, forskare valde en oligomer, en liten polymervariant med en struktur som liknar naturliga lipider, och använde ytspektroskopimetoder för att undersöka det molekylära monoskiktet - ena sidan av ett dubbelskikt - som bildas mellan vatten och olja.

ORNL-teamet är en av endast ett fåtal grupper som har undersökt vätske-vätska-gränssnittet, ett viktigt forskningsområde, men understuderad på grund av tekniska utmaningar.

"Vårt mål var att undersöka hur asymmetrin vid gränsytan mellan olja och vatten får arter att adsorbera annorlunda, att packa och beställa till en funktionell design, " sa Doughty.

Den studerade oligomeren är en amfifil molekyl, vilket betyder att delar av dess struktur är hydrofoba medan andra är hydrofila. När prover stabiliserade i olja införs i en vattenbaserad lösning, molekylerna sätter sig själv som svar på deras blandade attraktion och avstötning mot vatten.

Like goes to like — oligomerernas lätt laddade polarhuvuden vill vara i vattenfasen, som också är polar, och de opolära svansarna vill vara i oljefasen, vilket inte är.

"Being able to observe in real time how these molecules arrange at a varied interface is a broadly applicable fundamental scientific accomplishment, " Doughty said.

As shown in the animation, the charged oligomer heads home in on the water phase; but the flexible tails coil up in the oil when they have room to spare, or tighten to accommodate neighbors as the interface becomes crowded.

"We discovered that adjusting the ions, or charged particles, in the water phase aided in the formation of well-defined interfaces, with oligomers taking on more tightly coiled structures, " Doughty said.

Too few ions and the tails spread out loosely, leaving gaps; too many, and they squeeze in, ballooning from the surface.

"The findings point to approaches for modifying the size and shape of monolayers, and—at the next stage—enabling bilayers with asymmetrical designs, just like natural lipids, " Collier said. "The work brings us a step closer to unlocking new potentials in biomaterials."

Tailoring surfaces on a molecular level to design new materials opens possibilities not only for biocomputing but also broadly for chemical separations, sensing and detection.

"Observing the liquid-liquid interface helps us understand the chemistry that drives all of these technologies, " said Doughty.