Ett team av forskare under ledning av University of Massachusetts Amherst har hämtat inspiration från en mängd olika naturliga geometriska motiv – inklusive de av 12-sidiga tärningar och potatischips – för att utöka en uppsättning välkända designprinciper till en helt ny klass av svampiga material som kan självmontera till exakt kontrollerbara strukturer.
Deras teori och beräkningsmodell, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , möjliggör maximal designekonomi eller största möjliga struktur med minsta möjliga antal programmerbara, självmonterande delar.
En av materialvetenskapens heliga graler är att efterlikna naturens förmåga att forma robusta, komplexa självmonterande material som sedan kan skapa strukturer med en lång rad funktioner. Tänk på de kristallina nanostrukturerna som bildas på en fjärils vingar och vars exakta form och storlek bestämmer exakt vilka våglängder av ljus som ska reflekteras, vilket ger olika arter deras distinkta markeringar.
"Vi blev inspirerade av virussjälvsammansättning", säger Greg Grason, professor i polymervetenskap vid UMass Amherst och tidningens senior författare.
"Även om vissa virus kan utgöra risker ur ett hälsoperspektiv, har de en otrolig "självstängande" design. Många har ett styvt, mycket symmetriskt sfäriskt skal, och detta skal är byggt av det minsta antalet proteinarrangemang som möjligt. Skalet är också precis rätt storlek – större, och det skulle inte kunna infektera sin värd mindre, och viruset skulle inte vara tillräckligt kraftfullt perfekt form, precis som virus — förutom att vi vill konstruera helt andra typer av geometrier."
Grason och hans team, inklusive kollegor vid universiteten Brandeis och Syracuse, samt medförfattarna Carlos M. Duque och Douglas M. Hall, som båda slutförde denna forskning som en del av sina forskarstudier vid UMass Amherst, är knappast de första att inspireras av virus.
Redan på 1960-talet insåg ett par strukturbiologer vid namn Donald Caspar och nobelpristagaren Aaron Klug, inspirerade av Buckminster Fullers berömda geodetiska kupoler, att strukturen på hans kupoler också beskrev virusskal. De fortsatte med att härleda en uppsättning designprinciper, kallade Caspar-Klugs symmetriprinciper, som beskriver hur man bygger en struktur som omsluter största möjliga volym med minst antal byggstenar.
"Inspirerade av skönheten och elegansen i Caspar-Klug-konstruktionen för icosaedriska virala skal, utvecklade vi en färdplan för att hitta ekonomiska designregler som kan hjälpa oss att konstruera ett brett utbud av mycket användbara nanostrukturer", säger Duque.
Caspar-Klug symmetriprincipen beskriver dock bara strukturer med positiva krökningar, eller former, som en kupol, som kröker sig inåt i alla riktningar.
"Vi undrade vad som skulle hända om du inverterar krökningen så att kurvorna löper i motsatta riktningar från varandra, som ett Pringles-potatischip", säger Grason.
"Vilka typer av självstängande geometrier kan bildas med negativ krökning, och kan de bevara ekonomin för Caspar-Klug-aggregatet?"
Strukturer med denna typ av negativ krökning har en svampig struktur byggd av sammankopplade hål och rör, och är i själva verket nära besläktade med de fotoniska nanostrukturer som bildas i fjärilsvingfjäll.
För att besvara sina frågor designade Grason och hans medförfattare en beräkningsmodell, som visade att strukturer med en trefaldig periodisk negativ krökning verkligen kunde bevara den monteringsekonomi som Caspar och Klug observerade i sfäriska virus.
"Vi kan utöka ekonomin för former med en positiv krökning till en mycket mer komplex uppsättning strukturer som kan realiseras genom att sätta ihop "programmerbara" byggstenar som kan göras med metoderna för DNA-nanoteknik, eller de novo proteindesign , säger Grason.
"Vårt arbete modellerar monteringsprocessen", säger Hall.
"Först samlas några byggstenar för att skapa en negativt böjd lapp, som ett potatischips med grova kanter. När lappen växer sluter sig ytan om sig själv och bildar kanaler som sträcker sig i alla tre dimensionerna. Den mycket regelbundna uppsättningen av kanaler är det som möjliggör nya potentiella material med briljanta färger eller förmågan att dämpa ljud."
Mer information: Carlos M. Duque et al, Limits of economy and fidelity for programmerbar montering av storlekskontrollerade trefaldiga periodiska polyedrar, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315648121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Massachusetts Amherst
