Komplexa system i naturen, liksom deras syntetiska motsvarigheter inom teknik, består av ett stort antal små komponenter som sätts samman av sig själva genom molekylära interaktioner. Att få en bättre förståelse för principerna och mekanismerna för denna självmontering är viktigt för utvecklingen av nya applikationer inom områden som nanoteknik och medicin.
Professor Erwin Frey, ordförande för statistisk och biologisk fysik vid LMU och medlem av ORIGINS Excellence Cluster, och hans forskarkollega Dr Florian Gartner har nu undersökt en aspekt av självmontering som har fått lite uppmärksamhet tidigare:Vilken roll spelar formen och antalet möjliga bindningar mellan partiklar spelar?
Som forskarna rapporterar i tidskriften Physical Review X , visar deras resultat att hexagonala morfologier – med andra ord sexsidiga strukturer – som molekyler med sex bindningsställen är idealiska för självmontering.
"När vi undersökte en generell modell för självmontering, observerade vi att monteringstiden ökade med storleken på målstrukturen", berättar Gartner. "Detta fick oss att undra om formen på partiklarna kan ha en betydande inverkan på hur snabbt den erforderliga monteringstiden ökar med storleken på målstrukturen och därmed hur effektiva självorganiseringsprocesserna kan vara. Denna skalning av monteringstiden med målstrukturens storlek definierar vad vi kallar tidskomplexiteten för självmontering."
Efter denna tanke utvecklade forskarna en matematisk modell för att analysera systemets beteende under självmontering. Deras resultat visar att byggstenarnas morfologi faktiskt spelar en viktig roll.
Genom att bland annat ta hänsyn till systemens skalning och kinetik kunde Frey och Gartner visa att hexagonala former erbjuder avsevärda fördelar för självmontering. Till exempel kan sammansättningen av strukturer som består av tusen byggstenar vara nästan fyra storleksordningar snabbare med hexagonala byggstenar jämfört med triangulära.
Denna hexagonprincip gäller generellt för morfologin, som inte bara beskriver formen på partiklarna utan också antalet och placeringen av deras bindningar:Sex möjliga bindningar till intilliggande partiklar visade sig vara idealiska vid montering av större strukturer. Detta kan vara kovalenta bindningar, vätebryggbindningar, van der Waals-krafter och hydrofoba interaktioner.
Det finns också överensstämmelser i naturen för detta mönster, såsom självmontering av virala kapsider. Denna process börjar med sammansättningen av små, triangulära delar till hexagoner, som sedan förenas med femhörningar för att bilda de ikosaedriska strukturerna hos virala kapsider.
Enligt forskarna ger deras resultat värdefulla insikter för nanoteknik. Hexagonprincipen skulle kunna tillämpas för att optimera självorganiseringen av små strukturer till större – vad gäller formen på byggstenarna eller möjligheten till bindningar och närliggande relationer med andra partiklar. Genom hierarkisk självmontering, till exempel, skulle det kunna vara möjligt att bilda partiklar med särskilt fördelaktig morfologi (exempelvis hexagoner) i ett initialt monteringssteg för att effektivisera hela sammansättningsprocessen.
"Om du förstår vilka morfologier av monomererna som leder till effektiv självmontering kan du medvetet välja dessa former och undvika ineffektiva former som är långsamma att montera", förklarar Gartner. "Ett exempel på hur denna strategi kan utnyttjas är i syntesen av artificiella virala kapsider för biomedicinska tillämpningar."
Mer information: Florian M. Gartner et al, Design Principles for Fast and Efficiency Self-Assembly Processes, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021004
Journalinformation: Fysisk granskning X
Tillhandahålls av Ludwig Maximilian University of München
