(Phys.org) -- Även om det är relativt enkelt att bygga en låda på makroskalan, det är mycket mer utmanande på mindre mikro- och nanometerlängder. I de storlekarna, tredimensionella (3-D) strukturer är för små för att kunna monteras av någon maskin och de måste styras för att monteras på egen hand. Och nu, tvärvetenskaplig forskning av ingenjörer vid Johns Hopkins University i Baltimore, Md., och matematiker vid Brown University i Providence, R.I., har lett till ett genombrott som visar att polyedrar av högre ordning verkligen kan vikas ihop och sätta ihop sig själva.
"Det som är anmärkningsvärt här är inte bara att en struktur fälls ihop av sig själv, men att den viker sig till en mycket exakt, tredimensionell form, och det sker utan någon pincett eller mänsklig inblandning, säger David Gracias, en kemisk och biomolekylär ingenjör vid Johns Hopkins. "Mycket som naturen sätter ihop allt från snäckskal till ädelstenar från botten och upp, idén om självmontering lovar ett nytt sätt att tillverka föremål från botten och upp."
Med stöd från National Science Foundation (NSF), Gracias och Govind Menon, en matematiker vid Brown University, utvecklar självmonterande 3D-mikro- och nanostrukturer som kan användas i ett antal applikationer, inklusive medicin.
Menons team på Brown började designa dessa små 3D-strukturer genom att först platta ut dem. De arbetade med ett antal former, såsom 12-sidiga sammankopplade paneler, som potentiellt kan vikas till en dodekaederformad behållare. "Föreställ dig att skära upp det och platta ut ansiktena medan du går, " säger Menon. "Det är en tvådimensionell utvikning av polyedern."
Och inte alla platta former skapas lika; vissa viker sig bättre än andra. "De bästa är de som är mest kompakta. Det finns 43, 380 sätt att vika en dodekaeder, " konstaterar Menon.
Forskarna utvecklade en algoritm för att sålla igenom alla möjliga val, begränsar fältet till ett fåtal kompakta former som enkelt vikas till 3D-strukturer. Menons team skickade dessa mönster till Gracias och hans team på Johns Hopkins som byggde formerna, och validerade hypotesen.
"Vi lägger ett material mellan ytorna och kanterna, och sedan värma upp dem, som skapar ytspänning och drar ihop kanterna, smälta samman strukturen, " förklarar Gracias. "Vinkeln mellan intilliggande paneler i en dodekaeder är 116,6 grader och i vår process, femkantiga paneler justeras exakt i dessa anmärkningsvärt exakta vinklar och tätar sig själva; allt på egen hand."
"Epoken med miniatyrisering lovar att revolutionera våra liv. Vi kan göra dessa polyedrar av många olika material, såsom metaller, halvledare och till och med biologiskt nedbrytbara polymerer för en rad optiska, applikationer för elektronisk och läkemedelsleverans, " fortsätter Gracias. "Till exempel, det finns ett behov inom medicinen att skapa smarta partiklar som kan rikta in sig på specifika tumörer, specifik sjukdom, utan att leverera droger till resten av kroppen, vilket begränsar biverkningarna."
Föreställ dig tusentals exakt strukturerade, mycket liten, biologiskt nedbrytbar, lådor som rusar genom blodomloppet på väg till ett sjukt organ. När de väl anländer till sin destination, de kan släppa ut medicin med stor noggrannhet. Det är visionen för framtiden. Tills vidare, den mer omedelbara oro är att få utformningen av strukturerna precis så att de kan tillverkas med högt utbyte.
"Vår process är också kompatibel med tillverkning av integrerade kretsar, så vi föreställer oss att vi kan använda den för att sätta kiselbaserad logik och minneschips på 3D-polyedrarnas ytor. Vår metodik öppnar dörren till skapandet av verkligt tredimensionella "smarta" och multifunktionella partiklar på både mikro- och nanolängdsskala, säger Gracias.
