自組裝在自然界中無處不在，是在每個生物體中形成有組織結(jié)構(gòu)的途徑。例如，當(dāng)兩條 DNA 鏈在沒有任何外部刺激或引導(dǎo)的情況下結(jié)合形成雙螺旋時，或者當(dāng)大量分子結(jié)合形成膜或其他重要細(xì)胞結(jié)構(gòu)時，就可以看到這種現(xiàn)象。一切都?xì)w于其應(yīng)有的位置，而沒有一個看不見的建造者必須一次一個地把所有的部分放在一起。

在過去的幾十年里，科學(xué)家和工程師一直跟隨大自然的腳步，設(shè)計在水中自行組裝的分子，目標(biāo)是制造納米結(jié)構(gòu)，主要用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如藥物輸送或組織工程。“這些基于小分子的材料往往會很快降解，”麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系 (DMSE) 助理教授 Julia Ortony 解釋說，“而且它們在化學(xué)上也不穩(wěn)定。當(dāng)你使用它時，整個結(jié)構(gòu)就會分崩離析。去除水分，尤其是在施加任何外力時。”

然而，她和她的團(tuán)隊設(shè)計了一類新的小分子，它們以前所未有的強(qiáng)度自發(fā)組裝成納米帶，在水外保持其結(jié)構(gòu)。Ortony 及其合著者于 1 月 21 日在《自然納米技術(shù)》雜志上描述了這項多年努力的結(jié)果，可以激發(fā)廣泛的應(yīng)用。

“這項開創(chuàng)性的工作——通過高度控制的自組裝產(chǎn)生了異常的機(jī)械性能——應(yīng)該對該領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，”理化學(xué)研究所緊急物質(zhì)科學(xué)中心副主任、化學(xué)和生物技術(shù)教授 Tazuko Aida 教授斷言。東京大學(xué)，誰沒有參與這項研究。

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊構(gòu)建的材料——或者更確切地說，允許自己構(gòu)建——是以細(xì)胞膜為模型的。它的外部是“親水的”，這意味著它喜歡在水中，而它的內(nèi)部是“疏水的”，這意味著它試圖避開水。Ortony 評論說，這種配置“為自組裝提供了驅(qū)動力”，因為分子自己定向以最大限度地減少疏水區(qū)域和水之間的相互作用，從而呈現(xiàn)納米級形狀。

在這種情況下，形狀是由水賦予的，通常整個結(jié)構(gòu)在干燥時會坍塌。但是奧托尼和她的同事想出了一個計劃來防止這種情況發(fā)生。當(dāng)分子松散地結(jié)合在一起時，它們會像流體一樣快速移動;隨著分子間力的強(qiáng)度增加，運動減慢，分子呈固態(tài)。Ortony 解釋說，這個想法“是通過對單個分子的微小修改來減緩分子運動，這可能會導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)的特性發(fā)生集體的、希望是戲劇性的變化。”

減慢分子的一種方法，博士 Ty Christoff-Tempesta 指出。該論文的學(xué)生和第一作者，“是讓它們比在生物系統(tǒng)中更緊密地相互依存。” 當(dāng)強(qiáng)氫鍵的密集網(wǎng)絡(luò)將分子連接在一起時，就可以實現(xiàn)這一點。Christoff-Tempesta 說：“這就是讓像 Kevlar 這樣的材料——由所謂的‘芳綸’構(gòu)成——具有化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)度的原因。”

Ortony 的團(tuán)隊將這種能力結(jié)合到他們設(shè)計的分子中，該分子具有三個主要組成部分：喜歡與水相互作用的外部部分，中間的芳綸用于結(jié)合，以及內(nèi)部對水有強(qiáng)烈的厭惡感。研究人員測試了數(shù)十種符合這些標(biāo)準(zhǔn)的分子，然后才找到導(dǎo)致納米級厚度的長條帶的設(shè)計。然后，作者測量了納米帶的強(qiáng)度和剛度，以了解在分子之間包含類似 Kevlar 的相互作用的影響。他們發(fā)現(xiàn)納米帶出人意料地堅固——實際上比鋼還堅固。

這一發(fā)現(xiàn)讓作者想知道是否可以將納米帶捆綁以生產(chǎn)穩(wěn)定的宏觀材料。Ortony 的團(tuán)隊設(shè)計了一種策略，將對齊的納米帶拉成可以干燥和處理的長線。值得注意的是，Ortony 的團(tuán)隊表明，這些線可以承受 200 倍于自身重量的重量，并且具有非常高的表面積——每克材料 200 平方米。Christoff-Tempesta 解釋說：“這種高表面質(zhì)量比通過用更少的材料進(jìn)行更多的化學(xué)反應(yīng)，為小型化技術(shù)提供了希望。” 為此，他們已經(jīng)開發(fā)出納米帶，其表面涂有分子，可以將鉛或砷等重金屬從受污染的水中提取出來。

就她而言，Ortony 仍然對他們能夠?qū)崿F(xiàn)“調(diào)整物質(zhì)的內(nèi)部狀態(tài)以創(chuàng)造異常強(qiáng)大的分子納米結(jié)構(gòu)”的最初研究目標(biāo)感到驚訝。事情很容易反過來。這些材料可能被證明是雜亂無章的，或者它們的結(jié)構(gòu)像它們的前輩一樣脆弱，只能在水中支撐。但是，她說，“我們很高興看到我們對分子結(jié)構(gòu)的修改確實被分子的集體行為放大了，創(chuàng)造了具有極其強(qiáng)大的機(jī)械性能的納米結(jié)構(gòu)。下一步，找出最重要的應(yīng)用，將是令人興奮的.”

標(biāo)簽： 分子納米纖維