ポリマーが引き起こす油と水の化学

ポリマーが引き起こす油と水の化学

オークリッジ国立研究所とテネシー大学の研究者は、油ー水界面でのポリマーの自己組織化の珍しい内部構造を観測して、ニューロモーフィックコンピューティングとバイオインスパイアード材料の発展に貢献しました。

脳の働きをモデル化したコンピューターを設計し始めており、この分野は現在、ニューロモーフィックコンピューティングとして知られています。

Journal of the American Chemical Societyで公開された結果は、厚い単層をもつ複雑な膜において、イオン種を膜形成ポリマー/オリゴマーに導入して、誘引静電力を介して自己集合を強化し、油/水界面での両親媒性を高めることができる、新たな材料設計指針を提供しました。

オークリッジ国立研究所の化学科学部門Benjamin Doughty氏は次のように述べています。「液液界面で起こる化学の設計指針を理解することで、最終的にカスタムプロパティを備えた新しい材料を作成する方法がわかります。」

この研究は、脳のニューラルネットワークを介した信号の処理や細胞を介したイオン、タンパク質、その他の分子の輸送など、重要な生物学的機能を備えた選択的膜である脂質二重層を模倣するためのソフト材料の使用に関心を広げています。

DONLの科学ユーザー施設のオフィスであるORNLのナノ相材料科学センターのPat Collier氏は、「脂質は本質的に脆弱で腐敗するため、安定性やさまざまな自然の機能を提供できるポリマーベースのカウンターパートの開発に興味があります。」と述べています。

ただし、界面化学の知識がなければ、天然または合成分子から機能的な二重層を作成するには、ある程度の謎が伴います。 溶液をビーカー中で相互作用する化学種は、ニューロモルフィックコンピューティングの非デジタル言語を構成する知覚インパルスを保存またはフィルタリングする機能など、選択的特性を持つ類似の膜を形成する場合としない場合があります。

「特定の目的のために分子を訓練し、新しい機能のロックを解除できるようにするには、自己組織化中に分子レベルで何が起こっているのかを理解する必要があります」とPat Collier氏は言いました。


実験のために、研究者は天然脂質に類似した構造を持つ小さなポリマーバリアントであるオリゴマーを選択し、表面分光法を使用して、水と油の間に形成される分子単層(二重層の片側)を調べました。
「私たちの目標は、油水界面での非対称性がどのように種を異なるように吸着させ、機能的なデザインに詰め込み、秩序づけるのかを調査することでした」と、Benjamin Doughty氏は言いました。

研究されたオリゴマーは両親媒性分子です。油で安定化されたサンプルが水ベースの溶液に導入されると、分子は水への引力と反発の混合に応じて自己集合します。

「これらの分子がさまざまな界面でどのように配列するかをリアルタイムで観察できることは、広く適用可能な基本的な科学的成果です」と、Benjamin Doughty氏は言いました。

帯電したオリゴマーは水相に戻ります。しかし、柔軟性のあるテールは、余裕があるときにオイルに巻き付いたり、インターフェースが混雑したときに近接分子を締め付けたりします。

「水相中のイオンまたは荷電粒子を調整することで、明確に定義された界面の形成が促進され、オリゴマーがより緊密にコイル状の構造をとることを発見しました」と、Benjamin Doughty氏は言いました。

イオンが少なすぎると、尾がゆるく広がり、隙間が残ります。あまりにも多く、それらは表面から膨らみ、圧迫されます。

「この発見は、単層のサイズと形状を修正するアプローチを示しており、次の段階で、天然脂質のように非対称設計の二層を可能にします」とPat Collier氏は言いました。 「この研究により、生体材料の新しい可能性を解き放つための一歩が近づいています。」

分子レベルで表面を調整して新しい材料を設計することで、バイオコンピューティングだけでなく、化学的分離、検出、検出の可能性が広がります。

「液液界面を観察することは、これらすべての技術を動かす化学を理解するのに役立ちます」と、Benjamin Doughty氏は言いました。

Azhad U. Chowdhury et al,

Insight into the Mechanisms Driving the Self-Assembly of Functional Interfaces: Moving from Lipids to Charged Amphiphilic Oligomers,

Journal of the American Chemical Society (2019).

DOI: 10.1021/jacs.9b10536

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