Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Tennessee lograron una mirada poco común al funcionamiento interno del autoensamblaje de polímeros en una interfaz aceite-agua para hacer avanzar los materiales para la computación neuromórfica y las tecnologías bioinspiradas.

Resultados publicados en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense proporcionar nuevos conocimientos sobre la forma en que las moléculas se agrupan y se ordenan en interfaces "ajustables", Superficies monocapa gruesas con estructuras modificables para funcionalidades específicas.

"Comprender las reglas de diseño de la química que ocurre en la interfaz líquido-líquido informa en última instancia cómo podemos hacer nuevos materiales con propiedades personalizadas, ", dijo Benjamin Doughty de la División de Ciencias Químicas de ORNL.

El estudio amplía el interés en el uso de materiales blandos para imitar las bicapas lipídicas:membranas selectivas con importantes funciones biológicas. como procesar señales a través de la red neuronal del cerebro y transportar iones, proteínas, y otras moléculas a través de las células.

Los coautores diseñaron previamente membranas biomiméticas utilizando gotas de agua recubiertas de lípidos en aceite y demostraron su potencial como componentes sensoriales para neuromórficos, o como un cerebro, computadoras con procesamiento de información natural, Aprendizaje y Memoria.

"Debido a que los lípidos son inherentemente frágiles y se descomponen, Estamos interesados ​​en desarrollar contrapartes a base de polímeros que ofrezcan estabilidad y también puedan brindarnos una gama de funcionalidades naturales, "dijo Pat Collier del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Sin el conocimiento de la química interfacial, sin embargo, La creación de bicapas funcionales a partir de moléculas naturales o sintéticas implica cierto grado de misterio. Las especies químicas que interactúan en un vaso de precipitados de solución pueden o no formar membranas análogas con propiedades selectivas. como la capacidad de almacenar o filtrar los impulsos sensoriales que componen el lenguaje no digital de la computación neuromórfica.

"Para poder entrenar moléculas para propósitos específicos y desbloquear nuevas funcionalidades, necesitamos entender lo que está sucediendo a nivel molecular durante el autoensamblaje, "Dijo Collier.

Para el experimento, los investigadores eligieron un oligómero, una pequeña variante de polímero con una estructura similar a los lípidos naturales, y utilizó métodos de espectroscopía de superficie para sondear la monocapa molecular, un lado de una bicapa, formada entre el agua y el aceite.

El equipo de ORNL es uno de los pocos grupos que ha probado la interfaz líquido-líquido, un área importante de investigación, pero poco estudiado debido a desafíos técnicos.

"Nuestro objetivo era investigar cómo la asimetría en la interfaz agua-aceite hace que las especies se adsorban de manera diferente, para empaquetar y ordenar en un diseño funcional, "Dijo Doughty.

El oligómero estudiado es una molécula anfifílica, lo que significa que partes de su estructura son hidrofóbicas mientras que otras son hidrofílicas. Cuando las muestras estabilizadas en aceite se introducen en una solución a base de agua, las moléculas se autoensamblan en respuesta a su atracción y repulsión mixtas al agua.

Me gusta va a gustar:las cabezas polares ligeramente cargadas de los oligómeros quieren estar en la fase de agua, que también es polar, y las colas no polares quieren estar en fase oleosa, lo cual no es.

"Ser capaz de observar en tiempo real cómo se organizan estas moléculas en una interfaz variada es un logro científico fundamental ampliamente aplicable, "Dijo Doughty.

Como se muestra en la animación, el oligómero cargado se dirige hacia la fase acuosa; pero las colas flexibles se enrollan en el aceite cuando tienen espacio de sobra, o ajustar para adaptarse a los vecinos a medida que la interfaz se llena de gente.

"Descubrimos que ajustar los iones, o partículas cargadas, in the water phase aided in the formation of well-defined interfaces, with oligomers taking on more tightly coiled structures, " Doughty said.

Too few ions and the tails spread out loosely, leaving gaps; demasiados, and they squeeze in, ballooning from the surface.

"The findings point to approaches for modifying the size and shape of monolayers, and—at the next stage—enabling bilayers with asymmetrical designs, just like natural lipids, " Collier said. "The work brings us a step closer to unlocking new potentials in biomaterials."

Tailoring surfaces on a molecular level to design new materials opens possibilities not only for biocomputing but also broadly for chemical separations, sensing and detection.

"Observing the liquid-liquid interface helps us understand the chemistry that drives all of these technologies, " said Doughty.