Но построить наноструктуры сложно. А создание большого количества наноструктур с одинаковыми характеристиками, таких как миллионы нанотрубок одинакового диаметра, является еще более трудным. Такое точное производство необходимо для создания нанотехнологий завтрашнего дня.
Помощь может быть в пути.
Как сообщалось на неделе 28 марта в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи из U.S. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) обнаружила семейство природных полимеров, которые при помещении в воду спонтанно собираются в полые кристаллические нанотрубки. Более того, нанотрубки можно настроить так, чтобы все они имели одинаковый диаметр от пяти до десяти нанометров, в зависимости от длины полимерной цепи.
Полимеры состоят из двух химически разных блоков одинакового размера и формы.
Ученые узнали, что эти блоки действуют как молекулярные плитки, которые образуют кольца, которые складываются вместе, образуя нанотрубки длиной до 100 нанометров, все с одинаковым диаметром.
«Это указывает на новый способ использования синтетических полимеров для очень точного создания сложных наноструктур», — говорит Рон Цукерманн, руководитель отдела биологических наноструктур в Molecular Foundry лаборатории Беркли, где проводилась большая часть этих исследований.
Несколько других ученых из лаборатории Беркли внесли свой вклад в это исследование, в том числе Ниташ Балсара из отдела материаловедения и Кен Даунинг из отдела молекулярной биофизики и интегрированной биовизуализации.
«Создание однородных структур с высокой производительностью — цель нанотехнологий», — добавляет Цукерманн. «Например, если вы можете контролировать диаметр нанотрубок и химические группы, открытые в их внутренней части, то вы можете контролировать то, что проходит, что может привести к новым технологиям фильтрации и опреснения, чтобы назвать несколько примеров."
Это последнее исследование в области создания наноструктур, которые по сложности и функциям приближаются к природным белкам, но сделаны из прочных материалов.
В этой работе ученые лаборатории Беркли изучили полимер, который является членом семейства пептоидов. Пептоиды — это прочные синтетические полимеры, имитирующие пептиды, которые природа использует для образования белков. Их можно настроить в атомарном масштабе для выполнения определенных функций.
В течение последних нескольких лет ученые изучали особый тип пептоида, названный диблок-сополипептоидом, потому что он связывается с ионами лития и может использоваться в качестве электролита батареи.
Попутно они случайно обнаружили, что соединения образуют нанотрубки в воде. Как именно образуются эти нанотрубки, еще предстоит определить, но это последнее исследование проливает свет на их структуру и намекает на новый принцип конструкции, который можно использовать для создания нанотрубок и других сложных наноструктур.
Диблок-сополипептоиды состоят из двух пептоидных блоков, один из которых является гидрофобным, а другой — гидрофильным. Ученые обнаружили, что оба блока кристаллизуются, когда встречаются в воде, и образуют кольца, состоящие из двух-трех отдельных пептоидов.
Затем кольца образуют полые нанотрубки.
Получение изображений 50 нанотрубок с помощью криоэлектронной микроскопии показало, что диаметр каждой трубки очень однороден по ее длине, а также от трубки к трубке. Этот анализ также выявил полосатый рисунок по ширине нанотрубок, который указывает на то, что кольца складываются вместе, образуя трубки, и исключает другие способы упаковки. Кроме того, считается, что пептоиды располагаются в виде кирпича, при этом гидрофобные блоки выстраиваются в линию с другими гидрофобными блоками, и то же самое для гидрофильных блоков.
«Изображения трубок, полученные с помощью электронной микроскопии, были необходимы для установления присутствия этой необычной структуры», — говорит Балсара. «Образование трубчатых структур с гидрофобным ядром является обычным для синтетических полимеров, диспергированных в воде, поэтому мы были весьма удивлены, увидев образование полых трубок без гидрофобного ядра."
На канале 7 проведен анализ рассеяния рентгеновских лучей.3.3 из Advanced Light Source раскрыли еще больше информации о структуре нанотрубок.
Например, он показал, что один из пептоидных блоков, который обычно является аморфным, на самом деле кристаллический.
Примечательно, что нанотрубки собираются сами по себе без обычных вспомогательных средств наностроения, таких как электростатические взаимодействия или сети водородных связей.
«Вы не ожидали бы чего-то столь сложного, как это можно было бы создать без этих костылей», — говорит Цукерманн. "Но оказалось, что химические взаимодействия, которые удерживают нанотрубки вместе, очень просты. Что особенного здесь, так это то, что два пептоидных блока химически различны, но почти одинакового размера, что позволяет цепочкам упаковываться вместе очень регулярным образом. Эти идеи могут помочь нам разработать полезные нанотрубки и другие структуры, которые являются прочными и настраиваемыми, а также имеют однородные структуры."