Forskare vid University of Illinois och Northwestern University har visat bioinspirerade strukturer som självmonterar från enkla byggstenar:sfärer.

De spiralformade "supermolekylerna" är gjorda av små kolloida bollar istället för atomer eller molekyler. Liknande metoder skulle kunna användas för att göra nya material med funktionaliteten hos komplexa kolloidala molekyler. Teamet kommer att publicera sina resultat i numret av tidskriften den 14 januari Vetenskap .

"Vi kan nu göra en helt ny klass av smarta material, som öppnar dörren till ny funktionalitet som vi inte kunde föreställa oss tidigare, sa Steve Granick, Grundare professor i teknik vid University of Illinois och professor i materialvetenskap och teknik, kemi, och fysik.

Granicks team utvecklade små latexsfärer, kallad "Janus sfärer, "som attraherar varandra i vatten på ena sidan, men stöter bort varandra på andra sidan. Den dubbla naturen är det som ger sfärerna deras förmåga att bilda ovanliga strukturer, på liknande sätt som atomer och molekyler.

I rent vatten, partiklarna sprids helt eftersom deras laddade sidor stöter bort varandra. Dock, när salt tillsätts till lösningen, saltjonerna mjukar upp avstötningen så att sfärerna kan närma sig tillräckligt nära för att deras hydrofoba ändar ska locka till sig. Attraktionen mellan dessa ändar drar samman sfärerna till kluster.

Vid låga saltkoncentrationer, små kluster av endast ett fåtal partiklar bildas. På högre nivåer, större kluster bildas, slutligen självmonterande till kedjor med en invecklad spiralstruktur.

"Precis som atomer som växer till molekyler, dessa partiklar kan växa till suprakolloider, "Sådana vägar skulle vara mycket konventionella om vi pratade om atomer och molekyler som reagerar kemiskt med varandra, men folk har inte insett att partiklar kan bete sig på detta sätt också."

Teamet designade sfärer med precis rätt mängd attraktion mellan sina hydrofoba halvor så att de skulle hålla sig till varandra men ändå vara tillräckligt dynamiska för att tillåta rörelse, omarrangemang, och klustertillväxt.

"Mängden klibbighet spelar verkligen stor roll. Du kan sluta med något som är stört, bara små kluster, eller om sfärerna är för klibbiga, du slutar med en klotformig röra istället för dessa vackra strukturer, " sa doktoranden Jonathan Whitmer, en medförfattare till tidningen.

En av fördelarna med teamets supermolekyler är att de är tillräckligt stora för att kunna observeras i realtid med hjälp av ett mikroskop. Forskarna kunde se Janus-sfärerna komma samman och klustren växa – vare sig en sfär i taget eller genom att slås samman med andra små kluster – och omarrangeras till olika strukturella konfigurationer som teamet kallar isomerer.

"Vi designar dessa smarta material för att falla i användbara former som naturen inte skulle välja, " sa Granick.

Förvånande, teoretiska beräkningar och datorsimuleringar av Erik Luijten, Northwestern University professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och i ingenjörsvetenskap och tillämpad matematik, och Whitmer, en elev i sin grupp, visade att de vanligaste spiralformade strukturerna inte är de mest energimässigt gynnsamma. Snarare, sfärerna kommer samman på ett sätt som är mest kinetiskt gynnsamt – dvs. den första bra passformen som de stöter på.

Nästa, forskarna hoppas kunna fortsätta att utforska de kolloida egenskaperna med sikte på att konstruera mer onaturliga strukturer. Janus-partiklar av olika storlekar eller former kan öppna dörren till att bygga andra supermolekyler och till större kontroll över deras bildning.

"Dessa speciella partiklar har föredragna strukturer, men nu när vi inser den allmänna mekanismen, vi kan tillämpa det på andra system – mindre partiklar, olika interaktioner – och försök att konstruera kluster som växlar i form, " sa Granick.