Självmontering är allestädes närvarande i den naturliga världen, fungerar som en väg för att bilda organiserade strukturer i varje levande organism. Detta fenomen kan ses, till exempel, när två DNA-strängar – utan någon yttre stimulans eller styrning – förenas för att bilda en dubbel helix, eller när ett stort antal molekyler kombineras för att skapa membran eller andra vitala cellulära strukturer. Allt går till sin rätta plats utan att en osynlig byggare behöver sätta ihop alla delar, en i taget.

Under de senaste decennierna, forskare och ingenjörer har följt naturens ledning, designa molekyler som samlas i vatten, med målet att skapa nanostrukturer, främst för biomedicinska tillämpningar som läkemedelsleverans eller vävnadsteknik. "Dessa småmolekylbaserade material tenderar att brytas ned ganska snabbt, " förklarar Julia Ortony, biträdande professor vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik (DMSE), "och de är kemiskt instabila, för. Hela strukturen faller isär när du tar bort vattnet, speciellt när någon form av yttre kraft appliceras."

Hon och hennes team, dock, har designat en ny klass av små molekyler som spontant sätts samman till nanorband med oöverträffad styrka, behålla sin struktur utanför vattnet. Resultaten av denna fleråriga insats, som kan inspirera till ett brett spektrum av applikationer, beskrevs den 21 januari i Nature Nanotechnology av Ortony och medförfattare.

"Detta avgörande arbete - som gav onormala mekaniska egenskaper genom mycket kontrollerad självmontering - borde ha en stor inverkan på fältet, " hävdar professor Tazuko Aida, biträdande chef för RIKEN Center for Emergent Matter Science och professor i kemi och bioteknik vid University of Tokyo, som inte var involverad i forskningen.

Materialet som MIT-gruppen konstruerade – eller snarare, får konstruera sig själv — är modellerad efter ett cellmembran. Dess yttre del är "hydrofil, " vilket betyder att den gillar att vara i vatten, medan dess inre del är "hydrofob, betyder att den försöker undvika vatten. Denna konfiguration, Ortony kommenterar, "ger en drivkraft för självmontering, " när molekylerna orienterar sig för att minimera interaktioner mellan de hydrofoba regionerna och vatten, antar följaktligen en nanoskala form.

Formen, I detta fall, ges av vatten, och vanligtvis skulle hela strukturen kollapsa när den torkades. Men Ortony och hennes kollegor kom på en plan för att förhindra att det händer. När molekyler är löst bundna tillsammans, de rör sig snabbt, analogt med en vätska; när styrkan hos intermolekylära krafter ökar, rörelse långsammare och molekyler antar ett fast-liknande tillstånd. Idén, Ortony förklarar, "är att sakta ner molekylär rörelse genom små modifieringar av de enskilda molekylerna, som kan leda till ett kollektiv, och förhoppningsvis dramatisk, förändring i nanostrukturens egenskaper."

Ett sätt att bromsa molekyler, konstaterar Ty Christoff-Tempesta, en Ph.D. student och första författare till tidningen, "är att få dem att hålla fast vid varandra starkare än i biologiska system." Det kan åstadkommas när ett tätt nätverk av starka vätebindningar förenar molekylerna. "Det är det som ger ett material som Kevlar - konstruerat av så kallade "aramider" - dess kemiska stabilitet och styrka, " konstaterar Christoff-Tempesta.

Ortonys team införlivade den förmågan i sin design av en molekyl som har tre huvudkomponenter:en yttre del som gillar att interagera med vatten, aramider i mitten för bindning, och en inre del som har en stark motvilja mot vatten. Forskarna testade dussintals molekyler som uppfyller dessa kriterier innan de hittade designen som ledde till långa band med tjocklek i nanometerskala. Författarna mätte sedan nanobandens styrka och styvhet för att förstå effekten av att inkludera Kevlar-liknande interaktioner mellan molekyler. De upptäckte att nanobanden var oväntat robusta - starkare än stål, faktiskt.

Detta fynd fick författarna att undra om nanobanden kunde buntas ihop för att producera stabila makroskopiska material. Ortonys grupp utarbetade en strategi där justerade nanoband drogs till långa trådar som kunde torkas och hanteras. I synnerhet, Ortonys team visade att trådarna kunde hålla 200 gånger sin egen vikt och ha extraordinärt stora ytareor - 200 kvadratmeter per gram material. "Detta höga yta-till-massaförhållande erbjuder löfte om miniatyriseringsteknologier genom att utföra mer kemi med mindre material, " förklarar Christoff-Tempesta. För detta ändamål, de har redan utvecklat nanoband vars ytor är belagda med molekyler som kan dra tungmetaller, som bly eller arsenik, ur förorenat vatten. Andra insatser i forskargruppen syftar till att använda buntade nanorband i elektroniska enheter och batterier.

Ortony, för hennes del, är fortfarande förvånad över att de har kunnat uppnå sitt ursprungliga forskningsmål att "justera materiens inre tillstånd för att skapa exceptionellt starka molekylära nanostrukturer." Saker och ting kunde lätt ha gått åt andra hållet; dessa material kan ha visat sig vara oorganiserade, eller deras strukturer är ömtåliga, som sina föregångare, bara hålla i vatten. Men, hon säger, "vi var glada över att se att våra modifieringar av molekylstrukturen verkligen förstärktes av molekylernas kollektiva beteende, skapa nanostrukturer med extremt robusta mekaniska egenskaper. Nästa steg, ta reda på de viktigaste tillämpningarna, ska bli spännande."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.