Quando si tratta dei vari nanowidget che gli scienziati stanno sviluppando, i nanotubi sono particolarmente interessanti. Questo perché i tubi cavi che hanno diametri di pochi miliardesimi di metro hanno il potenziale per essere incredibilmente utili, dalla somministrazione di farmaci antitumorali all'interno delle cellule alla desalinizzazione dell'acqua di mare.

Ma costruire nanostrutture è difficile. E creando una grande quantità di nanostrutture con lo stesso tratto, come milioni di nanotubi con diametri identici, è ancora più difficile. Questo tipo di produzione di precisione è necessario per creare le nanotecnologie di domani.

I soccorsi potrebbero essere in arrivo. Come riportato online la settimana del 28 marzo sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto una famiglia di polimeri ispirati alla natura che, quando messo in acqua, si assemblano spontaneamente in nanotubi cristallini cavi. Cosa c'è di più, i nanotubi possono essere sintonizzati per avere tutti lo stesso diametro compreso tra cinque e dieci nanometri, a seconda della lunghezza della catena polimerica.

I polimeri hanno due blocchi chimicamente distinti che hanno le stesse dimensioni e forma. Gli scienziati hanno scoperto che questi blocchi agiscono come tessere molecolari che formano anelli, che si impilano per formare nanotubi lunghi fino a 100 nanometri, tutti con lo stesso diametro.

"Questo indica un nuovo modo in cui possiamo utilizzare polimeri sintetici per creare nanostrutture complesse in un modo molto preciso, "dice Ron Zuckermann, che dirige la struttura di nanostrutture biologiche nella fonderia molecolare di Berkeley Lab, dove è stata condotta gran parte di questa ricerca.

Diversi altri scienziati del Berkeley Lab hanno contribuito a questa ricerca, tra cui Nitash Balsara della Divisione di Scienze dei Materiali e Ken Downing della Divisione di Biofisica Molecolare e Bioimmagini Integrate.

"Creare strutture uniformi ad alto rendimento è un obiettivo nelle nanotecnologie, " aggiunge Zuckermann. "Ad esempio, se puoi controllare il diametro dei nanotubi, e i gruppi chimici esposti al loro interno, quindi puoi controllare ciò che passa, il che potrebbe portare a nuove tecnologie di filtrazione e desalinizzazione, per citare alcuni esempi."

La ricerca è l'ultima nello sforzo di costruire nanostrutture che si avvicinino alla complessità e alla funzione delle proteine ​​naturali, ma sono realizzati con materiali durevoli. In questo lavoro, gli scienziati del Berkeley Lab hanno studiato un polimero che fa parte della famiglia dei peptoidi. I peptoidi sono robusti polimeri sintetici che imitano i peptidi, che la natura usa per formare le proteine. Possono essere sintonizzati su scala atomica per svolgere funzioni specifiche.

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno studiato un particolare tipo di peptoide, chiamato diblock copolipeptoide, perché si lega agli ioni di litio e potrebbe essere utilizzato come elettrolita della batteria. Lungo la strada, hanno scoperto casualmente che i composti formano nanotubi nell'acqua. Come si formano esattamente questi nanotubi deve ancora essere determinato, ma quest'ultima ricerca fa luce sulla loro struttura, e suggerisce un nuovo principio di progettazione che potrebbe essere utilizzato per costruire nanotubi e altre nanostrutture complesse.

I copolipeptoidi diblock sono composti da due blocchi peptoidi, uno che è idrofobo uno che è idrofilo. Gli scienziati hanno scoperto che entrambi i blocchi si cristallizzano quando si incontrano in acqua, e formano anelli costituiti da due o tre peptoidi individuali. Gli anelli formano quindi nanotubi cavi.

L'imaging mediante microscopia crioelettronica di 50 dei nanotubi ha mostrato che il diametro di ciascun tubo è altamente uniforme lungo la sua lunghezza, così come da tubo a tubo. Questa analisi ha anche rivelato un motivo a strisce attraverso la larghezza dei nanotubi, che indica che gli anelli si impilano insieme per formare tubi, ed esclude altri accordi di imballaggio. Inoltre, si pensa che i peptoidi si dispongano in uno schema simile a un mattone, con blocchi idrofobici che si allineano con altri blocchi idrofobici, e lo stesso per i blocchi idrofili.

"Le immagini dei tubi catturate dalla microscopia elettronica sono state essenziali per stabilire la presenza di questa insolita struttura, " dice Balsara. "La formazione di strutture tubolari con un nucleo idrofobo è comune per i polimeri sintetici dispersi in acqua, quindi siamo rimasti piuttosto sorpresi di vedere la formazione di tubi cavi senza un nucleo idrofobo".

Le analisi di diffusione dei raggi X condotte alla linea di luce 7.3.3 della sorgente di luce avanzata hanno rivelato ancora di più sulla struttura dei nanotubi. Per esempio, ha mostrato che uno dei blocchi peptoide, che di solito è amorfo, è in realtà cristallino.

Sorprendentemente, i nanotubi si assemblano da soli senza i soliti ausili di nanocostruzione, come interazioni elettrostatiche o reti di legami idrogeno.

"Non ti aspetteresti qualcosa di così intricato come questo potrebbe essere creato senza queste stampelle, " dice Zuckermann. "Ma si scopre che le interazioni chimiche che tengono insieme i nanotubi sono molto semplici. La cosa speciale qui è che i due blocchi peptoidi sono chimicamente distinti, eppure quasi esattamente della stessa dimensione, che consente alle catene di impacchettarsi insieme in modo molto regolare. Queste intuizioni potrebbero aiutarci a progettare utili nanotubi e altre strutture che siano robuste e sintonizzabili e che abbiano strutture uniformi".