Le cellule animali e vegetali sono esempi importanti di come la natura costruisce unità sempre più grandi in un obiettivo, modo preprogrammato utilizzando molecole come elementi costitutivi. Nelle nanotecnologie, gli scienziati imitano questa tecnica "dal basso verso l'alto" utilizzando la capacità di nanomateriali opportunamente strutturati di "autoassemblarsi" in architetture di ordine superiore. Applicando questo concetto, scienziati dei polimeri di Bayreuth, Aquisgrana, Jena, Magonza, e Helsinki hanno recentemente pubblicato un articolo sulla prestigiosa rivista Natura che descrive un nuovo principio per l'autoassemblaggio di nanoparticelle modellate. Questo principio può avere importanti implicazioni per la comprensione fondamentale di tali processi così come per le tecnologie future.

Il gruppo di ricerca è guidato dal professor Axel Müller, che è stato titolare della Cattedra di Chimica Macromolecolare II presso l'Università di Bayreuth fino al suo pensionamento nel 2012; ora è membro del Gutenberg Research College dell'Università di Mainz. Gli altri membri del team sono il Dr. André Gröschel (precedentemente all'Università di Bayreuth, ora Aalto University Helsinki), Tina Löbling e Dr. Holger Schmalz (Università di Bayreuth), Dr. Andreas Walther (Centro di ricerca sui materiali interattivi presso l'Università di Aquisgrana), e Junior Professor Dr. Felix Schacher (Friedrich Schiller University Jena). La ricerca è stata condotta presso l'Università di Bayreuth e finanziata dalla German Research Foundation (DFG) all'interno del Collaborative Research Center 840 "From Particulate Nano-Systems to Mesotechnology".

Il processo di autoassemblaggio descritto in Natura inizia con macromolecole a catena con una dimensione compresa tra 10 e 20 nanometri. In chimica, tali macromolecole sono chiamate terpolimeri triblocco. Sono composti da tre sezioni lineari (blocchi) collegate tra loro in sequenza. Sono generati utilizzando uno speciale processo sintetico, cioè., la cosiddetta "polimerizzazione vivente, " e sono prontamente disponibili per i ricercatori. Il team di ricerca è stato in grado di guidare le macromolecole triblocco in nanoparticelle morbide con un diametro di circa 50 nanometri. La scelta dei solventi ha svolto un ruolo chiave in questo processo di autoassemblaggio macromolecolare. I solventi sono stati selezionati con precisione e utilizzato in modo tale che la diversa solubilità dei tre blocchi e l'incompatibilità dei polimeri tra loro abbiano contribuito in modo significativo alla qualità della struttura interna desiderata delle nanoparticelle.

Gli scienziati hanno applicato questa tecnica a due tipi di terpolimeri triblocco. Questi differivano per quanto riguarda le proprietà chimiche dei blocchi intermedi. Le sequenze a blocchi delle macromolecole erano A-B-C e A-D-C, rispettivamente. La prima produce nanoparticelle con un unico sito di legame e tende a formare ammassi sferici, mentre quest'ultimo crea nanoparticelle con due siti di legame e tende quindi a formare sovrastrutture lineari. È importante sottolineare che in entrambi i casi la struttura delle nanoparticelle è preprogrammata dalla struttura chimica della macromolecola sorgente allo stesso modo in cui la struttura di una proteina è determinata dalla sua sequenza amminoacidica.

Però, il processo di autoassemblaggio non si esaurisce con le nanoparticelle. Se le nanoparticelle formate da ciascun tipo di macromolecola fossero lasciate a se stesse, risulteranno da un lato sovrastrutture sferiche e dall'altro sovrastrutture lineari. Il team di Müller ha sviluppato e implementato un approccio diverso. Le nanoparticelle con uno e due siti di legame vengono mescolate in modo da aggregarsi in una sovrastruttura completamente nuova in un processo di co-assemblaggio. Nella sovrastruttura finale, le nanoparticelle originate dalle molecole A-B-C e le nanoparticelle formate dalle molecole A-D-C si alternano secondo uno schema ben definito.

Se osservata al microscopio elettronico a trasmissione, la nuova sovrastruttura ha una forte somiglianza con una larva di bruco, perché è costituito anche da una serie di elementi nettamente separati, sezioni regolarmente ordinate. Il team di ricerca di Müller ha quindi coniato il termine "micelle bruco" per tali sovrastrutture co-assemblate.

I risultati della ricerca recentemente pubblicati in Natura rappresentano una svolta nel campo della strutturazione gerarchica e della nanoingegneria in quanto consente di creare nuovi materiali mediante particelle preprogrammate autoassemblanti. Questo potrebbe essere un punto di svolta, perché finora solo procedure dall'alto verso il basso, cioè., estrarre una microstruttura da un complesso più grande, sono processi di strutturazione ampiamente accettati. "I limiti di questa tecnica diventeranno fin troppo evidenti nel prossimo futuro, " ha spiegato Müller. "Solo raramente è possibile generare strutture complesse nell'intervallo dei nanometri".

Però, un principio di autoassemblaggio dal basso, basato su quello impiegato in natura, potrebbe rappresentare la migliore via da seguire. Un fattore che lo rende particolarmente attraente è il gran numero di macromolecole, che sono prontamente disponibili come elementi costitutivi. Possono essere utilizzati per incorporare proprietà specifiche nelle sovrastrutture risultanti, quali la sensibilità agli stimoli ambientali (es. temperatura, leggero, campi elettrici e magnetici, ecc.) o dare loro la possibilità di essere accesi e spenti a piacimento. Le possibili applicazioni includono la nanolitografia e la somministrazione di farmaci in cui è possibile preprogrammare il tempo e il sito di rilascio delle sostanze attive. Qui, la somiglianza con i principi strutturali delle cellule animali e vegetali diventa di nuovo evidente, dove varie proprietà sono compartimentate in aree di spazio limitato.

Le macromolecole che trasportano diversi segmenti funzionali possono essere centinaia di volte più piccole di un micrometro. Le sovrastrutture prodotte da tali macromolecole hanno una risoluzione corrispondentemente elevata. "Tecnologie del futuro, come le cellule artificiali su misura, transistor, o componenti per micro/nano-robotica – possono beneficiare in modo significativo di questa strutturazione particolarmente delicata, " ha spiegato Müller. "I risultati della ricerca che abbiamo pubblicato in Natura non hanno ancora alcuna applicazione immediata nel mondo reale. Tuttavia, meglio comprendiamo i processi dal basso verso l'alto che iniziano con molecole nella gamma dei nanometri e passano ai livelli gerarchici più alti nella gamma dei micrometri, le tecnologie future più probabili saranno alla nostra portata." Le micelle di bruco non sono in alcun modo le uniche sovrastrutture che possono essere prodotte con le nanoparticelle autoassemblanti. "Tali nanoparticelle morbide possono essere combinate con nanoparticelle e microparticelle inorganiche o biologiche per creare materiali precedentemente sconosciuti con funzioni specifiche. Il numero di combinazioni possibili è praticamente infinito, " ha concluso Müller.