När det gäller de olika nanowidgets som forskare håller på att utveckla, nanorör är särskilt spännande. Det beror på att ihåliga rör som har diametrar på bara några miljarddels meter har potential att vara otroligt användbara, från att leverera cancerbekämpande läkemedel inuti celler till avsaltning av havsvatten.

Men att bygga nanostrukturer är svårt. Och skapa en stor mängd nanostrukturer med samma egenskap, som miljontals nanorör med identiska diametrar, är ännu svårare. Denna typ av precisionstillverkning behövs för att skapa morgondagens nanoteknik.

Hjälp kan vara på väg. Som rapporterats online veckan den 28 mars i tidningen Proceedings of the National Academy of Sciences , forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har upptäckt en familj av naturinspirerade polymerer som, när den placeras i vatten, spontant monteras till ihåliga kristallina nanorör. Vad mer, nanorören kan ställas in så att alla har samma diameter på mellan fem och tio nanometer, beroende på längden på polymerkedjan.

Polymererna har två kemiskt distinkta block som har samma storlek och form. Forskarna lärde sig att dessa block fungerar som molekylära plattor som bildar ringar, som staplas ihop för att bilda nanorör upp till 100 nanometer långa, alla med samma diameter.

"Detta pekar på ett nytt sätt vi kan använda syntetiska polymerer för att skapa komplexa nanostrukturer på ett mycket exakt sätt, " säger Ron Zuckermann, som leder Biological Nanostructures Facility i Berkeley Labs Molecular Foundry, där mycket av denna forskning utfördes.

Flera andra Berkeley Lab-forskare bidrog till denna forskning, inklusive Nitash Balsara från Materials Sciences Division och Ken Downing från Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division.

"Att skapa enhetliga strukturer med hög avkastning är ett mål inom nanoteknik, " tillägger Zuckermann. "T.ex. om du kan kontrollera diametern på nanorör, och de kemiska grupperna som exponeras i deras inre, då kan du kontrollera vad som går igenom – vilket kan leda till ny filtrerings- och avsaltningsteknik, för att nämna några exempel."

Forskningen är den senaste i arbetet med att bygga nanostrukturer som närmar sig komplexiteten och funktionen hos naturens proteiner, men är gjorda av hållbara material. I det här arbetet, forskarna från Berkeley Lab studerade en polymer som tillhör peptoidfamiljen. Peptoider är robusta syntetiska polymerer som efterliknar peptider, som naturen använder för att bilda proteiner. De kan ställas in på atomär skala för att utföra specifika funktioner.

Under de senaste åren, forskarna har studerat en viss typ av peptoid, kallas en diblock-kopolypeptoid, eftersom det binder till litiumjoner och kan användas som batterielektrolyt. Längs vägen, de fann utan vidare att föreningarna bildar nanorör i vatten. Hur exakt dessa nanorör bildas har ännu inte bestämts, men den här senaste forskningen belyser deras struktur, och tipsar om en ny designprincip som skulle kunna användas för att bygga nanorör och andra komplexa nanostrukturer.

Diblock-kopolypeptoider är sammansatta av två peptoidblock, en som är hydrofob en som är hydrofil. Forskarna upptäckte att båda blocken kristalliserar när de möts i vatten, och bildar ringar bestående av två till tre individuella peptoider. Ringarna bildar sedan ihåliga nanorör.

Kryoelektronmikroskopi av 50 av nanorören visade att diametern på varje rör är mycket enhetlig längs dess längd, såväl som från rör till rör. Denna analys avslöjade också ett randigt mönster över nanorörens bredd, vilket indikerar att ringarna staplas ihop för att bilda rör, och utesluter andra packningsarrangemang. Dessutom, peptoiderna tros ordna sig i ett tegelliknande mönster, med hydrofoba block i linje med andra hydrofoba block, och samma sak för hydrofila block.

"Bilder av rören som fångats med elektronmikroskopi var avgörande för att fastställa närvaron av denna ovanliga struktur, ", säger Balsara. "Bildandet av rörformiga strukturer med en hydrofob kärna är vanligt för syntetiska polymerer dispergerade i vatten, så vi blev ganska förvånade över att se bildandet av ihåliga rör utan en hydrofob kärna."

Röntgenspridningsanalyser utförda vid strållinje 7.3.3 i Advanced Light Source avslöjade ännu mer om nanorörens struktur. Till exempel, det visade att ett av peptoidblocken, som vanligtvis är amorft, är faktiskt kristallin.

Anmärkningsvärt, nanorören sätter sig själva utan de vanliga nanokonstruktionshjälpmedel, såsom elektrostatiska interaktioner eller vätebindningsnätverk.

"Du skulle inte förvänta dig något så intrikat som det här skulle kunna skapas utan dessa kryckor, " säger Zuckermann. "Men det visar sig att de kemiska interaktionerna som håller ihop nanorören är väldigt enkla. Det som är speciellt här är att de två peptoidblocken är kemiskt olika, ändå nästan exakt samma storlek, vilket gör att kedjorna kan packas ihop på ett väldigt regelbundet sätt. Dessa insikter kan hjälpa oss att designa användbara nanorör och andra strukturer som är robusta och avstämbara – och som har enhetliga strukturer."