Традиционная химия обладает огромной мощью, когда дело доходит до получения очень разнообразных и очень сложных микроскопических химических молекул. Но одна вещь недосягаема – это синтез больших структур вплоть до макроскопического масштаба, что потребовало бы огромных количеств химикатов, а также сложной и сложной техники. Для этой цели ученые вместо этого полагаются на «самособирающиеся» молекулы, соединения, которые могут взаимодействовать с другими копиями самих себя, спонтанно собираясь в сферы, трубки или другие желаемые формы.
Используя этот подход, исследователи из Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) теперь сообщают в Chemical Communications о новых самособирающихся молекулах, которые могут трансформироваться в новые, экзотические и ранее не наблюдаемые формы, просто используя ультрафиолетовый свет, чтобы заставить их перестраиваться по-другому. в «метастабильные» состояния.
При проектировании самосборных структур ученые обычно стремятся к состоянию с наименьшей энергией – или «основному состоянию», в котором структура будет иметь максимальную стабильность. Менее стабильные формы обычно отклоняются как неправильные и нежелательные.
Тем не менее, это «основное состояние», будучи очень стабильным, затрудняет разрушение конструкции, если вы хотите изменить ее форму. В этом исследовании ученые OIST вставили слабые места в свои самособирающиеся структуры в основном состоянии, в результате чего структуры, требующие лишь небольшого толчка, чтобы разрушиться. В данном случае толчком является использование ультрафиолетового света, чтобы перерезать определенную связь между двумя атомами внутри молекулы, разбивая структуру на более мелкие фрагменты.
Затем фрагменты могут совместно собираться в менее стабильные, называемые метастабильными, но новые и экзотические формы.
«Этот отчет посвящен новой концепции в материаловедении», – пояснил проф.
Чжан из Bioinspired Soft Matter Unit и автор исследования. "Мы превратили явление самосборки в совместную сборку пространственно и временно управляемым способом с помощью света. В итоге мы построили экзотические гетерогенные наноструктуры, недоступные обычным синтетическим путям."
Эта новая концепция привела к захватывающему открытию: поскольку оставшиеся фрагменты плотно упакованы после разрушения исходной структуры, они могут образовывать новые и экзотические структуры, которые недостижимы, если вы просто смешиваете одни и те же молекулы в свободном движении. Представьте себе эти наноструктуры, сделанные из кирпичей Lego: изначально у вас есть кирпичи 2×5 – 2 шпильки шириной и 5 шпилек длиной – самособирающиеся в нановолокно.
Ультрафиолетовый свет разделит эти кирпичи 2×5 на две части меньшего размера, например кирпич 2×3 и кирпич 2×2, разрушив всю структуру, похожую на волокна. Но поскольку эти более мелкие кирпичи остаются предварительно организованными, пространственно оставаясь близко друг к другу, они могут легко рекомбинировать в новые формы, видимые невооруженным глазом. Напротив, если в отдельном эксперименте вы просто смешаете блоки Lego 2×3 и 2×2 случайным образом в ведре с разным расстоянием между кубиками, их отсутствие пространственной организации препятствует сборке таких новых наноструктур.
По словам проф.
Чжан, способность создавать новые структуры жизненно важна: «В материаловедении функция всегда связана со структурой. Если вы создаете другую структуру, вы манипулируете функцией и даже создаете новые приложения."Например, токсичность молекулы в форме нановолокна может быть намного ниже или выше, чем у той же молекулы, собранной в сферической форме."
Настоящее исследование, проведенное в OIST, убедительно свидетельствует о том, что начальные условия являются наиболее важным параметром, влияющим на окончательную форму, которую принимают самособирающиеся молекулы. «Если вы знаете, как молекулы упаковываются друг с другом по параметрам начального состояния, это даст вам больше подсказок, чтобы нацелиться на конкретную макроскопическую форму», – прокомментировал проф. Чжан.
Эта способность изменять форму имеет большой потенциал для биологических применений. Проф. Чжан предложил: «Например, вы вводите молекулу в живой организм, и он принимает определенную структуру. Затем, используя свет, вы разрываете химическую связь, и тогда молекула переключается на другую структуру с нужной вам функцией."
В фармацевтическом дизайне такая концепция позволит лекарству достичь своей цели в живом организме – органе или опухоли – в неактивном состоянии, тем самым ограничивая возможные побочные эффекты. После разрушения в этом целевом месте лекарство преобразуется в другую структуру с терапевтической активностью.
Проф.
Чжан заключил: «На данный момент использование ультрафиолета, как мы это делаем, не идеально, поскольку оно токсично для живых клеток. Следующим шагом для нас является переход к более биосовместимым самособирающимся структурам с лучшей адаптацией к живым системам."