L'autoassemblaggio è onnipresente nel mondo naturale, fungendo da percorso per formare strutture organizzate in ogni organismo vivente. Questo fenomeno può essere visto, ad esempio, quando due filamenti di DNA, senza alcuna sollecitazione o guida esterna, si uniscono per formare una doppia elica, o quando un gran numero di molecole si combinano per creare membrane o altre strutture cellulari vitali. Tutto va al posto giusto senza che un costruttore invisibile debba mettere insieme tutti i pezzi, uno alla volta.

Negli ultimi due decenni, scienziati e ingegneri hanno seguito l'esempio della natura, progettare molecole che si assemblano in acqua, con l'obiettivo di realizzare nanostrutture, principalmente per applicazioni biomediche come la somministrazione di farmaci o l'ingegneria dei tessuti. "Questi materiali a base di piccole molecole tendono a degradarsi piuttosto rapidamente, " spiega Giulia Ortony, assistente professore nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE) del MIT, "e sono chimicamente instabili, pure. L'intera struttura cade a pezzi quando si rimuove l'acqua, in particolare quando viene applicato qualsiasi tipo di forza esterna."

Lei e la sua squadra, però, hanno progettato una nuova classe di piccole molecole che si assemblano spontaneamente in nanonastri con una forza senza precedenti, mantenendo la loro struttura fuori dall'acqua. I risultati di questo impegno pluriennale, che potrebbe ispirare una vasta gamma di applicazioni, sono stati descritti il ​​21 gennaio su Nature Nanotechnology da Ortony e coautori.

"Questo lavoro fondamentale, che ha prodotto proprietà meccaniche anomale attraverso un autoassemblaggio altamente controllato, dovrebbe avere un grande impatto sul campo, " afferma il professor Tazuko Aida, vicedirettore del RIKEN Center for Emergent Matter Science e professore di chimica e biotecnologia all'Università di Tokyo, che non è stato coinvolto nella ricerca.

Il materiale costruito dal gruppo del MIT, o meglio, permesso di autocostruirsi, è modellato su una membrana cellulare. La sua parte esterna è "idrofila, " il che significa che gli piace stare in acqua, considerando che la sua parte interna è "idrofobica, " significa che cerca di evitare l'acqua. Questa configurazione, Ortoni commenta, "fornisce una forza trainante per l'autoassemblaggio, " poiché le molecole si orientano per ridurre al minimo le interazioni tra le regioni idrofobiche e l'acqua, assumendo di conseguenza una forma su scala nanometrica.

La forma, in questo caso, è conferito dall'acqua, e normalmente l'intera struttura crollerebbe una volta essiccata. Ma Ortony e i suoi colleghi hanno escogitato un piano per evitare che ciò accada. Quando le molecole sono legate insieme in modo lasco, si muovono velocemente, analogo a un fluido; all'aumentare della forza delle forze intermolecolari, il movimento rallenta e le molecole assumono uno stato solido. L'idea, Ortony spiega, "è quello di rallentare il movimento molecolare attraverso piccole modifiche alle singole molecole, che può portare a un collettivo, e si spera drammatico, cambiamento nelle proprietà della nanostruttura."

Un modo per rallentare le molecole, osserva Ty Christoff-Tempesta, un dottorato di ricerca studente e primo autore dell'articolo, "è farli aderire l'uno all'altro più fortemente che nei sistemi biologici". Ciò può essere ottenuto quando una fitta rete di forti legami idrogeno unisce le molecole. "Questo è ciò che dà a un materiale come il Kevlar, costruito con le cosiddette 'arammidi', la sua stabilità chimica e forza, " afferma Christoff-Tempesta.

Il team di Ortony ha incorporato questa capacità nella progettazione di una molecola che ha tre componenti principali:una porzione esterna a cui piace interagire con l'acqua, aramidi nel mezzo per legare, e una parte interna che ha una forte avversione per l'acqua. I ricercatori hanno testato dozzine di molecole che soddisfano questi criteri prima di trovare il design che ha portato a lunghi nastri con uno spessore su scala nanometrica. Gli autori hanno quindi misurato la forza e la rigidità dei nanonastri per comprendere l'impatto dell'inclusione di interazioni di tipo Kevlar tra le molecole. Hanno scoperto che i nanonastri erano inaspettatamente robusti, più forti dell'acciaio, infatti.

Questa scoperta ha portato gli autori a chiedersi se i nanonastri potessero essere raggruppati per produrre materiali macroscopici stabili. Il gruppo di Ortony ha ideato una strategia in base alla quale i nanonastri allineati venivano tirati in lunghi fili che potevano essere asciugati e maneggiati. In particolare, Il team di Ortony ha dimostrato che i fili possono contenere 200 volte il loro peso e avere aree di superficie straordinariamente elevate:200 metri quadrati per grammo di materiale. "Questo elevato rapporto superficie-massa offre la promessa per le tecnologie di miniaturizzazione eseguendo più chimica con meno materiale, " spiega Christoff-Tempesta. A tal fine, hanno già sviluppato nanonastri le cui superfici sono ricoperte da molecole in grado di trascinare metalli pesanti, come piombo o arsenico, fuori dall'acqua contaminata. Altri sforzi nel gruppo di ricerca mirano all'utilizzo di nanonastri in bundle in dispositivi elettronici e batterie.

Ortonio, da parte sua, è ancora stupito che siano stati in grado di raggiungere il loro obiettivo di ricerca originale di "sintonizzare lo stato interno della materia per creare nanostrutture molecolari eccezionalmente forti". Le cose sarebbero potute facilmente andare diversamente; questi materiali potrebbero essersi rivelati disorganizzati, o le loro strutture fragili, come i loro predecessori, reggendo solo in acqua. Ma, lei dice, "siamo stati entusiasti di vedere che le nostre modifiche alla struttura molecolare sono state effettivamente amplificate dal comportamento collettivo delle molecole, creare nanostrutture con proprietà meccaniche estremamente robuste. Il prossimo passo, capire le applicazioni più importanti, sarà emozionante".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.