Le nanostrutture che si assemblano da sole molecole polimeriche potrebbero rivelarsi strumenti utili in chimica e nell'industria. Però, è difficile sviluppare materiali autoassemblanti strutturalmente robusti perché sono spesso influenzati negativamente dall'ambiente circostante.

Molti organismi naturali si sono evoluti per proteggersi in ambienti ostili. Per esempio, i tipi di archaea - microrganismi unicellulari che vivono nelle sorgenti termali - hanno molecole cicliche nelle loro membrane cellulari che formano scudi per preservare la cellula in condizioni di calore estremo.

Ispirato dall'uso della natura di strutture cicliche, Takuya Yamamoto e collaboratori del Dipartimento di materiali organici e polimerici, Istituto di tecnologia di Tokyo, hanno notevolmente migliorato sia la stabilità termica che salina delle strutture polimeriche autoassemblanti, semplicemente cambiando la forma dei polimeri fondatori da lineare a ciclico.

Il team ha progettato nuovi copolimeri a blocchi - strutture che comprendono diversi polimeri collegati da legami covalenti - che si autoassemblano in forme chiamate micelle (Fig.1). Le micelle hanno una membrana esterna idrofila (che attira l'acqua), e un nucleo idrofobo (idrorepellente).

"Abbiamo progettato un copolimero a blocchi anfifilico ciclico imitando le molecole di grasso nella membrana cellulare degli archei, "Spiega Yamamoto. "Sia i copolimeri lineari che ciclici sono stati quindi utilizzati per creare micelle identiche autoassemblanti a forma di fiore." Il team ha scoperto che, sebbene la composizione chimica, concentrazione e dimensioni delle micelle costruite dai due copolimeri a blocchi di forma diversa sono rimaste le stesse, le micelle a base ciclica erano in grado di resistere a temperature più elevate.

"La micella dei copolimeri a blocchi ciclici ha resistito a temperature fino a 40°C superiori alle micelle a base lineare, " spiega Yamamoto. I ricercatori hanno scoperto che le estremità della coda dei copolimeri lineari avevano maggiori probabilità di staccarsi dalla struttura a forma di fiore durante il riscaldamento, consentendo la formazione di un ponte tra le micelle. Ciò significava che le micelle si univano in un blob agglomerato a una temperatura relativamente bassa. Le micelle create dai copolimeri ciclici, d'altra parte, non aveva "fini liberi" per formare ponti, il che significa che le strutture sono rimaste stabili fino a temperature molto più elevate.

Le stesse differenze strutturali consentono una maggiore tolleranza delle concentrazioni di sale nelle micelle a base ciclica. Le code sciolte nelle micelle a base lineare hanno permesso la rapida disidratazione in ambienti altamente salini, considerando che le strutture cicliche chiuse sono strutturalmente più forti, rendendoli più resistenti al sale.

"La combinazione di maggiori concentrazioni di salatura e resistenza termica significa che queste micelle hanno numerose potenziali applicazioni, " spiega Yamamoto. "Le possibilità includono sistemi di somministrazione di farmaci, dove il riscaldamento non è possibile e il sale fornisce un metodo alternativo per controllare il modo in cui una micella risponde al rilascio di un farmaco." Il team spera anche che le loro micelle possano fornire la base per molti nuovi materiali nel campo della chimica verde, perché la loro robustezza strutturale si basa esclusivamente sulla loro forma piuttosto che su complesse reazioni chimiche.