Djur- och växtceller är framträdande exempel på hur naturen konstruerar allt större enheter i en målinriktad, förprogrammerat sätt med molekyler som byggstenar. Inom nanoteknik, forskare härmar denna "bottom-up"-teknik genom att använda förmågan hos lämpligt strukturerade nanomaterial för att "självmontera" till högre ordningsarkitekturer. Genom att tillämpa detta koncept, polymerforskare från Bayreuth, Aachen, Jena, Mainz, och Helsingfors har nyligen publicerat en artikel i den prestigefyllda tidskriften Natur som beskriver en ny princip för självmontering av mönstrade nanopartiklar. Denna princip kan ha viktiga konsekvenser för den grundläggande förståelsen av sådana processer såväl som framtida teknologier.

Forskargruppen leds av professor Axel Müller, som var innehavare av ordförandeskapet för Macromolecular Chemistry II vid University of Bayreuth fram till sin pensionering 2012; han är nu stipendiat vid Gutenberg Research College vid Mainz University. De andra medlemmarna i teamet är Dr André Gröschel (tidigare vid University of Bayreuth, nu Aalto-universitetet i Helsingfors), Tina Löbling och Dr. Holger Schmalz (University of Bayreuth), Dr. Andreas Walther (Interactive Materials Research Center vid Aachen University), och juniorprofessor Dr Felix Schacher (Friedrich Schiller University Jena). Forskningen utfördes vid University of Bayreuth och finansierades av German Research Foundation (DFG) inom Collaborative Research Center 840 "From Particulate Nano-Systems to Mesotechnology."

Självmonteringsprocessen som beskrivs i Natur börjar med kedjeliknande makromolekyler med en storlek inom intervallet 10 till 20 nanometer. I kemi, sådana makromolekyler kallas triblock-terpolymerer. De är sammansatta av tre linjära sektioner (block) kopplade till varandra i sekvens. De genereras med hjälp av en speciell syntetisk process, dvs. den så kallade "levande polymerisationen, " och är lättillgängliga för forskare. Forskargruppen kunde styra triblock-makromolekylerna till mjuka nanopartiklar med en diameter på ungefär 50 nanometer. Valet av lösningsmedel spelade en nyckelroll i denna makromolekylära självmonteringsprocess. Lösningsmedlen valdes exakt ut och användes så att de tre blockens varierande löslighet och polymerernas inkompatibilitet med varandra bidrog väsentligt till kvaliteten på den önskade inre strukturen hos nanopartiklarna.

Forskarna tillämpade denna teknik på två typer av triblock-terpolymerer. Dessa skilde sig åt med avseende på mellanblockens kemiska egenskaper. Blocksekvenserna för makromolekylerna var A-B-C och A-D-C, respektive. Den första resulterar i nanopartiklar med en enda bindningsplats och tenderar att bilda sfäriska kluster, medan den senare skapar nanopartiklar med två bindningsställen och därmed tenderar att bilda linjära överbyggnader. Viktigt, i båda fallen är nanopartiklarnas struktur förprogrammerad av den kemiska strukturen hos källmakromolekylen på samma sätt som ett proteins struktur bestäms av dess aminosyrasekvens.

Dock, processen med självmontering slutar inte med nanopartiklarna. Om nanopartiklarna som bildas av varje typ av makromolekyl lämnades till sina egna, sfäriska överbyggnader skulle resultera å ena sidan och linjära överbyggnader å andra sidan. Müllers team har utvecklat och implementerat ett annat tillvägagångssätt. Nanopartiklarna med en och två bindningsställen blandas så att de aggregeras till en helt ny överbyggnad i en process av sammontering. I den slutliga överbyggnaden, nanopartiklarna som härrör från A-B-C-molekylerna och nanopartiklarna som bildas av A-D-C-molekylerna alternerar i ett exakt definierat mönster.

När det ses under ett transmissionselektronmikroskop, den nya överbyggnaden har en stark likhet med en larvlarv, eftersom den också består av en serie klart separata, regelbundet beställda avsnitt. Müllers forskargrupp har alltså myntat termen "larvmiceller" för sådana sammonterade överbyggnader.

Forskningsresultaten publicerade nyligen i Natur representerar ett genombrott inom området hierarkisk strukturering och nanoteknik eftersom det gör det möjligt att skapa nya material genom att självmontera förprogrammerade partiklar. Detta kan vara en game changer, eftersom hittills bara top-down-procedurer, dvs. extrahera en mikrostruktur från ett större komplex, är allmänt accepterade struktureringsprocesser. "Begränsningarna för denna teknik kommer att bli alltför uppenbara inom en snar framtid, " förklarade Müller. "Endast sällan är det möjligt att generera komplexa strukturer i nanometerområdet."

Dock, en bottom-up-princip för självmontering baserad på den som används i naturen skulle mycket väl kunna representera den bästa vägen framåt. En faktor som gör detta särskilt attraktivt är det stora antalet makromolekyler, som är lätt tillgängliga som byggstenar. De kan användas för att införliva specifika egenskaper i de resulterande överbyggnaderna, såsom känslighet för miljöstimuli (t.ex. temperatur, ljus, elektriska och magnetiska fält, etc.) eller ge dem möjligheten att slås på och av efter behag. Möjliga tillämpningar inkluderar nanolitografi och leverans av läkemedel där tid och plats för frisättning av aktiva substanser kan förprogrammeras. Här, likheten med de strukturella principerna för djur- och växtceller blir uppenbar igen, där olika fastigheter är uppdelade i områden med begränsat utrymme.

Makromolekylerna som bär olika funktionella segment kan vara hundratals gånger mindre än en mikrometer. De överbyggnader som sådana makromolekyler producerar har motsvarande hög upplösning. "Framtida teknologier – som skräddarsydda konstgjorda celler, transistorer, eller komponenter för mikro/nano-robotik – kan dra stor nytta av denna särskilt känsliga strukturering, " förklarade Müller. "Forskningsresultaten publicerade vi i Natur har ännu inte några omedelbara verkliga applikationer. Ändå, ju bättre vi förstår nedifrån och upp-processer som börjar med molekyler i nanometerområdet och går vidare till de högre hierarkiska nivåerna i mikrometerområdet, desto mer sannolikt kommer framtida teknologier att vara inom vårt räckhåll." Larvmicellerna är inte på något sätt de enda överbyggnaderna som kan produceras med de självmonterande nanopartiklarna. "Sådana mjuka nanopartiklar kan kombineras med oorganiska eller biologiska nanopartiklar och mikropartiklar för att skapa tidigare okända material med specifika funktioner. Antalet möjliga kombinationer är praktiskt taget oändligt, avslutade Müller.