Il professor Erwin Frey, professore di fisica statistica e biologica alla LMU e membro dell'ORIGINS Excellence Cluster, e il suo ricercatore Dr. Florian Gartner hanno ora studiato un aspetto dell'autoassemblaggio che ha ricevuto poca attenzione prima d'ora:quale ruolo svolgono le forme e il numero di possibili legami tra le particelle?

Come riferiscono i ricercatori sulla rivista Physical Review X , i loro risultati mostrano che le morfologie esagonali, in altre parole, strutture a sei lati, come le molecole con sei siti di legame, sono ideali per l'autoassemblaggio.

I fenomeni di ridimensionamento suscitano l'interesse dei ricercatori

"Quando abbiamo studiato un modello generale di autoassemblaggio, abbiamo osservato che il tempo di assemblaggio aumentava con la dimensione della struttura target", racconta Gartner. "Ciò ci ha portato a chiederci se la forma delle particelle potesse avere un'influenza considerevole sulla rapidità con cui il tempo di assemblaggio necessario aumenta con la dimensione della struttura target e quindi su quanto efficienti possano essere i processi di auto-organizzazione. Questo ridimensionamento del tempo di assemblaggio con la dimensione della struttura target definisce ciò che chiamiamo la complessità temporale dell'autoassemblaggio."

Seguendo questo pensiero, gli scienziati hanno sviluppato un modello matematico per analizzare il comportamento del sistema durante l'autoassemblaggio. I loro risultati dimostrano che la morfologia degli elementi costitutivi gioca infatti un ruolo importante.

Tenendo conto, tra gli altri aspetti, del ridimensionamento e della cinetica dei sistemi, Frey e Gartner sono stati in grado di dimostrare che le forme esagonali offrono notevoli vantaggi per l'autoassemblaggio. Ad esempio, l'assemblaggio di strutture composte da mille elementi costitutivi può essere quasi quattro ordini di grandezza più veloce con i blocchi esagonali rispetto a quelli triangolari.

Questo principio esagonale si applica generalmente alla morfologia, che descrive non solo la forma delle particelle ma anche il numero e la posizione dei loro legami:sei possibili legami con particelle adiacenti si sono rivelati ideali quando si assemblano strutture più grandi. Possono trattarsi di legami covalenti, legami a ponte di idrogeno, forze di van der Waals e interazioni idrofobiche.

Esistono anche corrispondenze in natura per questo modello, come l’autoassemblaggio dei capsidi virali. Questo processo inizia con l'assemblaggio di piccole parti triangolari in esagoni, che successivamente si uniscono ai pentagoni per formare le strutture icosaedriche dei capsidi virali.

Potenziali applicazioni

Secondo gli scienziati, i loro risultati forniscono preziose informazioni per la nanotecnologia. Il principio dell’esagono potrebbe essere applicato per ottimizzare l’autorganizzazione di piccole strutture in strutture più grandi, per quanto riguarda la forma dei mattoni o la possibilità di legami e relazioni di adiacenza con altre particelle. Attraverso l'autoassemblaggio gerarchico, ad esempio, potrebbe essere possibile formare particelle con morfologia particolarmente vantaggiosa (ad esempio esagoni) in una fase iniziale di assemblaggio al fine di migliorare l'efficienza dell'intero processo di assemblaggio.

"Se si comprendono quali morfologie dei monomeri portano ad un autoassemblaggio efficiente, è possibile selezionare deliberatamente queste forme ed evitare forme inefficienti che sono lente da assemblare", spiega Gartner. "Un esempio di come questa strategia potrebbe essere sfruttata è la sintesi di capsidi virali artificiali per applicazioni biomediche."