Nanostrukturer som sätter ihop sig från polymermolekyler kan visa sig vara användbara verktyg inom kemi och industri. Dock, det är svårt att utveckla strukturellt robusta självmonterande material eftersom de ofta påverkas negativt av sin omgivning.

Många naturliga organismer har utvecklats för att skydda sig själva i fientliga miljöer. Till exempel, typer av arkéer - encelliga mikroorganismer som lever i varma källor - har cykliska molekyler i sina cellmembran som bildar sköldar för att bevara cellen under extrem värme.

Inspirerad av naturens användning av cykliska strukturer, Takuya Yamamoto och medarbetare vid institutionen för organiska och polymera material, Tokyo Institute of Technology, har dramatiskt förbättrat både den termiska och saltstabiliteten hos självmonterande polymerstrukturer, helt enkelt genom att ändra formen på grundpolymererna från linjär till cyklisk.

Teamet designade nya blocksampolymerer - strukturer som består av flera polymerer sammankopplade genom kovalent bindning - som självmonterade till former som kallas miceller (Fig.1). Miceller har ett hydrofilt (vattenattraherande) yttre membran, och en hydrofob (vattenavstötande) kärna.

"Vi designade en cyklisk amfifil blocksampolymer genom att efterlikna fettmolekyler i cellmembranet hos archaea, " förklarar Yamamoto. "Både linjära och cykliska sampolymerer användes sedan för att skapa identiska självmonterande blomformade miceller." Teamet upptäckte att även om den kemiska sammansättningen, koncentration och dimensioner av miceller byggda av de två olika formade segmentsampolymererna förblev desamma, de cykliskt baserade micellerna kunde motstå högre temperaturer.

"Micellen från cykliska blocksampolymerer klarade temperaturer upp till 40°C högre än de linjärbaserade micellerna, " förklarar Yamamoto. Forskarna fann att svansändarna på de linjära sampolymererna var mer benägna att lossna från den blomformade strukturen under uppvärmning, vilket gör det möjligt att överbrygga mellan miceller. Detta innebar att micellerna går samman i en agglomeratklump vid en relativt låg temperatur. Micellerna som skapas av de cykliska sampolymererna, å andra sidan, hade inga "lösa ändar" för att bilda broar, vilket innebär att strukturerna förblev stabila upp till mycket högre temperaturer.

Samma strukturella skillnader möjliggör en större tolerans för saltkoncentrationer i de cykliskt baserade micellerna. De lösa svansarna i linjärbaserade miceller gjorde att snabb uttorkning kunde ske i mycket salthaltiga miljöer, medan de slutna cykliska strukturerna är strukturellt starkare, gör dem mer motståndskraftiga mot salt.

"Kombinationen av högre utsaltningskoncentrationer och termisk motståndskraft innebär att dessa miceller har många potentiella tillämpningar, " förklarar Yamamoto. "Möjligheterna inkluderar läkemedelstillförselsystem, där uppvärmning inte är möjlig och salt ger en alternativ metod för att kontrollera hur en micell reagerar för att frigöra ett läkemedel." Teamet hoppas också att deras miceller kan ge grunden för många nya material inom området grön kemi, eftersom deras strukturella robusthet är baserad enbart på deras form snarare än på komplexa kemiska reaktioner.