Immagini TEM di nanostrutture autoassemblanti e loro ricombinazioni, in falsi colori. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
I ricercatori dell'OIST creano molecole autoassemblanti che possono essere scomposte dalla luce ultravioletta per ricombinarsi in nuove forme macroscopiche.
La chimica tradizionale è immensamente potente quando si tratta di produrre molecole chimiche microscopiche molto diverse e molto complesse. Ma una cosa fuori portata è la sintesi di grandi strutture fino alla scala macroscopica, che richiederebbe enormi quantità di sostanze chimiche e una tecnica elaborata e complicata. Per questo scopo, gli scienziati si affidano invece a molecole "autoassemblanti", composti che possono interagire con altre copie di se stessi per riunirsi spontaneamente in sfere, tubi o altre forme desiderate. Utilizzando questo approccio, ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ora riferiscono in Comunicazioni chimiche nuove molecole autoassemblanti che possono trasformarsi in nuove, forme esotiche e precedentemente inosservate semplicemente usando la luce UV per costringerle a riorganizzarsi in modo diverso in stati "metastabili".
Quando si progettano strutture autoassemblanti, gli scienziati in genere mirano allo stato di energia più bassa - o "stato fondamentale, " in cui la struttura sarebbe alla sua massima stabilità. Le forme meno stabili sono generalmente respinte come errate e indesiderabili. Tuttavia, questo "stato fondamentale" essendo molto stabile rende arduo abbattere la struttura se si desidera alterarne la forma. In questa ricerca, Gli scienziati dell'OIST hanno inserito un punto debole nelle loro strutture autoassemblate allo stato fondamentale, risultando in strutture che richiedono solo una piccola spinta per crollare. In questo caso, il nudge è l'uso della luce ultravioletta per recidere un legame specifico tra due atomi all'interno della molecola, dividere la struttura in frammenti più piccoli. I frammenti sono quindi in grado di co-assemblarsi in forme meno stabili – dette metastabili – ma nuove ed esotiche.
Utilizzo della luce UV per scomporre le molecole autoassemblanti in frammenti co-assemblanti. Le molecole 1 e 2 possono autoassemblarsi separatamente in nanostrutture. L'esposizione alla luce UV interromperà queste nanostrutture suddividendo 1 in frammenti più brevi 3 e 4, e dividere 2 in 4 e 5. La nuova miscela di frammenti più corti può ricombinarsi spontaneamente in nuove forme. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
"Questo rapporto riguarda un nuovo concetto di scienza dei materiali, " ha spiegato il prof. Zhang della Bioinspired Soft Matter Unit e autore dello studio. "Abbiamo convertito un fenomeno di autoassemblaggio in co-assemblaggio in modo controllabile spazialmente e temporalmente usando la luce. Infine, abbiamo costruito nanostrutture esotiche eterogenee inaccessibili attraverso un percorso sintetico convenzionale."
Questo nuovo concetto ha portato a una scoperta affascinante:poiché i frammenti rimanenti sono strettamente imballati in seguito al crollo della struttura iniziale, possono formare strutture nuove ed esotiche che non sono raggiungibili se si mescolano semplicemente le stesse molecole in movimento libero. Immagina queste nanostrutture realizzate con i mattoncini Lego:inizialmente hai 2x5 mattoncini - 2 perni larghi e 5 lunghi - che si autoassemblano in una nanofibra. La luce ultravioletta dividerà questi mattoncini 2x5 in due pezzi più piccoli, ad esempio un mattone 2x3 e un mattone 2x2, distruggendo l'intera struttura fibrosa. Ma poiché questi mattoni più piccoli rimangono pre-organizzati spazialmente rimanendo vicini l'uno all'altro, possono facilmente ricombinarsi in nuove forme visibili ad occhio nudo. In contrasto, se in un esperimento separato mescoli semplicemente i mattoncini Lego 2x3 e 2x2 in modo casuale in un secchio con distanze variabili tra i mattoncini, la loro mancanza di organizzazione spaziale impedisce l'assemblaggio di tali nuove nanostrutture.
Secondo il prof. Zhang, la capacità di creare nuove strutture è vitale:"Nella scienza dei materiali, la funzione è sempre correlata alla struttura. Se crei una struttura diversa, manipolare la funzione e persino creare nuove applicazioni." Ad esempio, la tossicità di una molecola a forma di nanofibra potrebbe essere molto inferiore o superiore a quella della stessa molecola assemblata in una forma sferica".
Induzione di nuove forme macroscopiche dai frammenti della struttura autoassemblata iniziale. Percorso con freccia gialla da 1 a 3:viene creata una struttura iniziale simile a una fibra (1), quindi scomposto utilizzando la luce UV (simbolo luminoso viola). Poiché sono strettamente imballati all'indomani del crollo della struttura (2), questi frammenti si ricompongono in forme più diverse e più grandi (3). Percorso con frecce grigie da 4 a 5:la semplice miscelazione delle stesse molecole in movimento libero in un solvente (4) non produce la stessa varietà e dimensione delle nanostrutture (5). Credito:Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
La presente ricerca condotta presso l'OIST suggerisce fortemente che le condizioni iniziali siano il parametro più critico che influenza la forma finale assunta dalle molecole autoassemblanti. "Se sai come le molecole si impacchettano l'una con l'altra dai parametri dello stato iniziale, poi ti darà più indizi per puntare verso una specifica forma macroscopica, " ha commentato il prof. Zhang.
Questa capacità di mutare forma ha un grande potenziale per le applicazioni biologiche. Il prof. Zhang ha suggerito, "Ad esempio, introduci la molecola in un organismo vivente e adotta una certa struttura. Quindi usando la luce, rompi un legame chimico e poi la molecola passerà a un'altra struttura con la funzione che desideri."
Nella progettazione farmaceutica, un tale concetto consentirebbe a un farmaco di raggiungere il suo obiettivo in un organismo vivente – un organo o un tumore – in uno stato inattivo, limitando così i potenziali effetti collaterali. Una volta suddivisi in questa località target, il farmaco si rimodellerebbe in una struttura diversa con attività terapeutica.
Il prof. Zhang ha concluso, "Per adesso, usare la luce ultravioletta come facciamo noi non è l'ideale in quanto è tossica per le cellule viventi. Il prossimo passo per noi è passare a strutture autoassemblanti più biocompatibili con una migliore adattabilità ai sistemi viventi».
