Результаты, опубликованные в Журнале Американского химического общества, позволяют по-новому взглянуть на то, как молекулы упаковываются и упорядочиваются в "настраиваемые" интерфейсы, монослойные толстые поверхности со структурами, которые можно модифицировать для определенных функций.
«Понимание правил проектирования химии, происходящей на границе раздела жидкость-жидкость, в конечном итоге дает информацию о том, как мы можем создавать новые материалы с нестандартными свойствами», – сказал Бенджамин Даути из подразделения химических наук ORNL.
Исследование расширяет интерес к использованию мягких материалов для имитации липидных бислоев – селективных мембран с важными биологическими функциями, такими как обработка сигналов через нейронную сеть мозга и транспортировка ионов, белков и других молекул через клетки.
Соавторы ранее разработали биомиметические мембраны с использованием покрытых липидом капель воды в масле и продемонстрировали их потенциал в качестве сенсорных компонентов для нейроморфных или мозговидных компьютеров с естественной обработкой информации, обучением и памятью.
«Поскольку липиды по своей природе хрупкие и разлагаются, мы заинтересованы в разработке аналогов на основе полимеров, которые обеспечивают стабильность и могут также дать нам ряд природных функциональных возможностей», – сказал Пат Коллиер из Центра исследований нанофазных материалов ORNL, пользователь Управления науки Министерства энергетики США. Средство.
Однако без знания межфазной химии создание функциональных бислоев из природных или синтетических молекул связано с определенной степенью загадочности.
Химические вещества, взаимодействующие в стакане с раствором, могут образовывать или не образовывать аналогичные мембраны с избирательными свойствами, такими как способность хранить или фильтровать сенсорные импульсы, составляющие нецифровой язык нейроморфных вычислений.
«Чтобы иметь возможность обучать молекулы для определенных целей и открывать новые функции, мы должны понимать, что происходит на молекулярном уровне во время самосборки», – сказал Коллиер.
Для эксперимента исследователи выбрали олигомер, небольшой вариант полимера со структурой, аналогичной природным липидам, и использовали методы поверхностной спектроскопии для исследования молекулярного монослоя – одной стороны бислоя – образованного между водой и маслом.
Команда ORNL – одна из немногих групп, которые исследовали границу раздела жидкость-жидкость, важную область исследований, но недостаточно изученную из-за технических проблем.
«Наша цель состояла в том, чтобы исследовать, как асимметрия на границе раздела нефть-вода заставляет частицы по-разному адсорбироваться, упаковываться и упорядочиваться в функциональную конструкцию», – сказал Даути.
Исследуемый олигомер представляет собой амфифильную молекулу, что означает, что части его структуры гидрофобны, а другие – гидрофильны. Когда образцы, стабилизированные в масле, вводятся в раствор на водной основе, молекулы самоорганизуются в ответ на их смешанное притяжение и отталкивание по отношению к воде.
Подобное означает подобное – слегка заряженные полярные головки олигомеров хотят находиться в водной фазе, которая также является полярной, а неполярные хвосты хотят находиться в масляной фазе, которая не является.
«Возможность наблюдать в реальном времени, как эти молекулы располагаются на разнообразном интерфейсе, является широко применимым фундаментальным научным достижением», – сказал Даути.
Как показано на анимации, заряженный олигомер направляется обратно в водную фазу; но гибкие хвосты скручиваются в масле, когда у них есть свободное место, или затягиваются, чтобы приспособиться к соседям, когда интерфейс становится переполненным.
«Мы обнаружили, что регулирование ионов или заряженных частиц в водной фазе способствует образованию четко определенных границ раздела, при этом олигомеры принимают более плотно свернутые структуры», – сказал Даути.
Слишком мало ионов и хвосты неплотно расходятся, оставляя зазоры; слишком много, и они протискиваются, вздуваясь над поверхностью.
«Полученные данные указывают на подходы к изменению размера и формы монослоев, а на следующем этапе – создание бислоев с асимметричным дизайном, как у природных липидов», – сказал Коллиер. "Эта работа приближает нас к открытию новых возможностей биоматериалов."
Настройка поверхностей на молекулярном уровне для разработки новых материалов открывает возможности не только для биокомпьютинга, но и в целом для химического разделения, зондирования и обнаружения.
«Наблюдение за границей раздела жидкость-жидкость помогает нам понять химию, лежащую в основе всех этих технологий», – сказал Даути.