Ett team av polymervetenskap och ingenjörsforskare vid University of Massachusetts Amherst har för första gången visat att positionerna för små, platt, fasta föremål integrerade i nanometriskt tunna membran – som liknar biologiska cellers – kan kontrolleras genom att mekaniskt variera de elastiska krafterna i själva membranet. Denna forskningsmilstolpe är ett viktigt steg mot målet att skapa ultratunna flexibla material som självorganiserar sig och reagerar omedelbart på mekanisk kraft.

Teamet har upptäckt att styva fasta plattor i biomimetiska vätskemembran upplever interaktioner som är kvalitativt olika från biologiska komponenter i cellmembran. I cellmembran, flytande domäner eller vidhäftande virus upplever antingen attraktioner eller avstötningar, men inte båda, säger Weiyue Xin, huvudförfattare till artikeln som beskriver forskningen, som nyligen dök upp i Vetenskapens framsteg . Men för att exakt placera fasta föremål i ett membran, både lockande och avvisande krafter måste finnas tillgängliga, tillägger Maria Santore, professor i polymervetenskap och teknik vid UMass. I Santore Lab vid UMass, Xin använde gigantiska unilamellära vesiklar, eller GUV, som är cellliknande membransäckar, att undersöka interaktionerna mellan fasta föremål i en tunn, arkliknande material. Som biologiska celler, GUVs har flytande membran och bildar en nästan sfärisk form. Xin modifierade GUV så att membranen inkluderade små, fast, styva plattliknande massor. Laget, ett samarbete mellan Santore-labbet och Grason-teorigruppen vid UMass avdelning för polymervetenskap och ingenjörsteknik, är den första som visar att genom att modifiera membranets krökning och spänning, de plattliknande massorna kunde fås att attrahera och stöta bort varandra. Detta gjorde det möjligt för forskarna att kontrollera plattornas positioner i membranet.

Membranspänningen kan justeras mekaniskt, använda en mikropipett för att blåsa upp eller tömma GUV, eller fysiskt, genom osmos. I båda fallen när membranet är spänt, de platta plattorna attraherar varandra successivt, bildar förutsägbara, upprepningsbara arrangemang. Däremot minskning av spänningen gör att plattorna migrerar isär. I båda fallen är plattornas rörelse och placering förutsägbar och kontrollerbar.

Denna förmåga att styra placeringen av plattorna i ett membran är ett jättesteg mot att konstruera ett material som är känsligt för stimuli och kan självorganisera sig på kontrollerbara och omkonfigurerbara sätt. "Vår forskning har tillämpningar inom nanoteknik och andra sfärer där det är önskvärt att ha sofistikerade, flexibla enheter som kan reagera på sin miljö, " säger Xin. En verklig tillämpning av teamets forskning inkluderar flexibla, ultratunna, och omkonfigurerbar, bärbar elektronik.