(PhysOrg.com) -- Berkeley Lab-forskare har skapat "molekylärt papper, " den hittills största tvådimensionella polymerkristallen självmonterad i vatten. Detta helt nya arkmaterial är tillverkat av peptoider, konstruerade polymerer som kan böjas och vikas som proteiner samtidigt som de bibehåller robustheten hos syntetiska material.

Tvådimensionell, "arkliknande" nanostrukturer används ofta i biologiska system som cellmembran, och deras unika egenskaper har inspirerat intresset för material som grafen. Nu, Berkeley Labs forskare har gjort den största tvådimensionella polymerkristallen självmonterad i vatten hittills. Detta helt nya material speglar den strukturella komplexiteten hos biologiska system med den hållbara arkitekturen som behövs för membran eller integration i funktionella enheter.

Dessa självmonterande ark är gjorda av peptoider, konstruerade polymerer som kan böjas och vikas som proteiner samtidigt som de behåller robustheten hos konstgjorda material. Varje ark är bara två molekyler tjocka men ändå hundratals kvadratmikrometer i yta – liknande "molekylärt papper" som är tillräckligt stort för att vara synligt för blotta ögat. Vad mer, till skillnad från en typisk polymer, varje byggsten i ett peptoid nanoark är kodat med strukturella "marschorder" - vilket tyder på att dess egenskaper kan anpassas exakt till en applikation. Till exempel, dessa nanoark kan användas för att kontrollera flödet av molekyler, eller fungera som en plattform för kemisk och biologisk detektion.

Dessa fluorescensmikroskopbilder visar fritt flytande peptoid nanosheets i vätska. Varje peptoidark är bara två molekyler tjockt men upp till hundratals kvadratmikrometer i yta - ett "molekylärt papper" som är tillräckligt stort för att vara synligt för blotta ögat.

"Våra resultat överbryggar klyftan mellan naturliga biopolymerer och deras syntetiska motsvarigheter, som är ett grundläggande problem inom nanovetenskap, sa Ronald Zuckermann, Direktör för anläggningen för biologiska nanostrukturer vid Molecular Foundry. "Vi kan nu översätta grundläggande sekvensinformation från proteiner till en icke-naturlig polymer, vilket resulterar i ett robust syntetiskt nanomaterial med en atomärt definierad struktur."

Byggstenarna för peptoidpolymerer är billiga, lättillgänglig och genererar en hög produktutbyte, ger en enorm fördel gentemot andra syntestekniker. Zuckermann, avgörande för att utveckla gjuteriets unika robotsyntesfunktioner, arbetade med sitt team av medförfattare för att bilda bibliotek av peptoidmaterial. Efter att ha granskat många kandidater, teamet landade på den unika kombinationen av polymer byggstenar som spontant bildade peptoid nanosheets i vatten.

Zuckermann och medförfattaren Christian Kisielowski nådde ytterligare en första genom att använda TEAM 0.5-mikroskopet vid National Center for Electron Microscopy (NCEM) för att observera individuella polymerkedjor i peptoidmaterialet, bekräftar den exakta ordningen av dessa kedjor till ark och deras oöverträffade stabilitet medan de bombarderas med elektroner under bildbehandling.

"Designen av naturinspirerad, funktionella polymerer som kan sättas samman till membran med stora laterala dimensioner markerar ett nytt kapitel för materialsyntes med direkt inverkan på Berkeley Labs strategiskt relevanta initiativ som Helios-projektet eller Carbon Cycle 2.0, " sa NCEM:s Kisielowski. "De vetenskapliga möjligheterna som kommer med denna prestation utmanar vår fantasi, och kommer också att hjälpa till att flytta elektronmikroskopi mot direkt avbildning av mjuka material."

"Detta nya material är ett anmärkningsvärt exempel på molekylär biomimik på många nivåer, och kommer utan tvekan att leda till många applikationer inom tillverkning av enheter, syntes och avbildning i nanoskala, ” tillade Zuckermann.

Denna forskning rapporteras i en artikel med titeln, "Fritt flytande ultratunna tvådimensionella kristaller från sekvensspecifika peptoidpolymerer, ” visas i journalen Naturmaterial .