I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory e dell'Università del Tennessee hanno ottenuto uno sguardo raro sul funzionamento interno dell'autoassemblaggio del polimero in un'interfaccia olio-acqua per far progredire i materiali per il calcolo neuromorfo e le tecnologie ispirate alla biologia.

Risultati pubblicati in Giornale della Società Chimica Americana fornire nuove informazioni sul modo in cui le molecole si impacchettano e si ordinano in interfacce "sintonizzabili", superfici monostrato di grosso spessore con strutture modificabili per specifiche funzionalità.

"Comprendere le regole di progettazione della chimica che avviene nell'interfaccia liquido-liquido informa in definitiva su come possiamo creare nuovi materiali con proprietà personalizzate, ", ha affermato Benjamin Doughty della divisione di scienze chimiche dell'ORNL.

Lo studio espande l'interesse nell'uso di materiali morbidi per imitare i doppi strati lipidici:membrane selettive con importanti funzioni biologiche, come l'elaborazione di segnali attraverso la rete neurale del cervello e il trasporto di ioni, proteine, e altre molecole attraverso le cellule.

I coautori hanno precedentemente progettato membrane biomimetiche utilizzando goccioline d'acqua rivestite di lipidi in olio e hanno dimostrato il loro potenziale come componenti sensoriali per neuromorfi, o simile al cervello, computer con elaborazione naturale delle informazioni, apprendimento e memoria.

"Poiché i lipidi sono intrinsecamente fragili e in decomposizione, siamo interessati allo sviluppo di controparti a base di polimeri che offrono stabilità e possono anche darci una gamma di funzionalità naturali, " ha affermato Pat Collier del Center for Nanophase Materials Sciences dell'ORNL, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Senza la conoscenza della chimica interfacciale, però, creare doppi strati funzionali da molecole naturali o sintetiche comporta un certo grado di mistero. Le specie chimiche che interagiscono in un becher di soluzione possono o meno formare membrane analoghe con proprietà selettive, come la capacità di memorizzare o filtrare gli impulsi sensoriali che costituiscono il linguaggio non digitale dell'informatica neuromorfica.

"Per essere in grado di addestrare molecole per scopi specifici e sbloccare nuove funzionalità, dobbiamo capire cosa sta succedendo a livello molecolare durante l'autoassemblaggio, " ha detto Collier.

Per l'esperimento, i ricercatori hanno scelto un oligomero, una piccola variante polimerica con una struttura simile ai lipidi naturali, e ha utilizzato metodi di spettroscopia di superficie per sondare il monostrato molecolare, un lato di un doppio strato, formato tra acqua e olio.

Il team ORNL è uno dei pochi gruppi che ha sondato l'interfaccia liquido-liquido, un importante campo di ricerca, ma poco studiato a causa di problemi tecnici.

"Il nostro obiettivo era studiare come l'asimmetria all'interfaccia olio-acqua fa sì che le specie si adsorbano in modo diverso, per imballare e ordinare in un design funzionale, "Doughty ha detto.

L'oligomero studiato è una molecola anfifilica, il che significa che parti della sua struttura sono idrofobe mentre altre sono idrofile. Quando i campioni stabilizzati in olio vengono introdotti in una soluzione a base acquosa, le molecole si autoassemblano in risposta alla loro attrazione mista e repulsione verso l'acqua.

Il simile va al simile:le teste polari leggermente cariche degli oligomeri vogliono essere nella fase acquosa, che è anche polare, e le code non polari vogliono essere nella fase oleosa, che non è.

"Essere in grado di osservare in tempo reale come queste molecole si dispongono in un'interfaccia varia è un risultato scientifico fondamentale ampiamente applicabile, "Doughty ha detto.

Come mostrato nell'animazione, l'oligomero carico si dirige verso la fase acquosa; ma le code flessibili si avvolgono nell'olio quando hanno spazio a disposizione, o stringere per accogliere i vicini quando l'interfaccia diventa affollata.

"Abbiamo scoperto che regolando gli ioni, o particelle cariche, in the water phase aided in the formation of well-defined interfaces, with oligomers taking on more tightly coiled structures, " Doughty said.

Too few ions and the tails spread out loosely, leaving gaps; too many, and they squeeze in, ballooning from the surface.

"The findings point to approaches for modifying the size and shape of monolayers, and—at the next stage—enabling bilayers with asymmetrical designs, just like natural lipids, " Collier said. "The work brings us a step closer to unlocking new potentials in biomaterials."

Tailoring surfaces on a molecular level to design new materials opens possibilities not only for biocomputing but also broadly for chemical separations, sensing and detection.

"Observing the liquid-liquid interface helps us understand the chemistry that drives all of these technologies, " said Doughty.