Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y de la Universidad de Tennessee lograron una visión rara del funcionamiento interno del autoensamblaje de polímeros en una interfaz de aceite y agua para avanzar materiales para la informática neuromórfica y las tecnologías bioinspiradas.
Resultados publicados en el Revista de la Sociedad Americana de Química brinde nuevos conocimientos sobre la forma en que las moléculas se empaquetan y se ordenan en interfaces "ajustables", superficies gruesas monocapa con estructuras que pueden modificarse para funcionalidades específicas.
"Comprender las reglas de diseño de la química que ocurre en la interfaz líquido-líquido en última instancia informa 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 funciones biológicas importantes, 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 computadoras neuromórficas o similares al cerebro con procesamiento de información natural, aprendizaje y memoria.
"Debido a que los lípidos son inherentemente frágiles y se descomponen, estamos interesados en desarrollar contrapartes basadas en polímeros que ofrezcan estabilidad y que también puedan brindarnos una variedad de funcionalidades naturales", dijo Pat Collier del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL, una Oficina del DOE deCentro de usuarios de ciencias.
Sin el conocimiento de la química interfacial, sin embargo, la creación de bicapas funcionales a partir de moléculas naturales o sintéticas implica un 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 dealmacenar 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 sucede 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 utilizaron métodos de espectroscopía de superficie para sondear la monocapa molecular, un lado de una bicapa, formada entre agua y 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 estudiada debido a desafíos técnicos.
"Nuestro objetivo era investigar cómo la asimetría en la interfaz aceite-agua hace que las especies se adsorban de manera diferente, se empaqueten y se ordenen en un diseño funcional", dijo Doughty.
El oligómero estudiado es una molécula anfifílica, lo que significa que partes de su estructura son hidrófobas, mientras que otras son hidrófilas. 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 aagua.
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 la fase de aceite, que no lo está.
"Poder 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 a casa en la fase de agua; pero las colas flexibles se enrollan en el aceite cuando tienen espacio de sobra, o se aprietan para acomodar a los vecinos a medida que la interfaz se llena.
"Descubrimos que el ajuste de los iones, o partículas cargadas, en la fase de agua ayudó a la formación de interfaces bien definidas, con oligómeros que toman estructuras más enrolladas", dijo Doughty.
Muy pocos iones y las colas se extienden libremente, dejando huecos; demasiados, y se aprietan, formando un globo desde la superficie.
"Los hallazgos apuntan a enfoques para modificar el tamaño y la forma de las monocapas y, en la siguiente etapa, habilitar bicapas con diseños asimétricos, al igual que los lípidos naturales", dijo Collier. "El trabajo nos acerca un paso más adesbloqueando nuevos potenciales en biomateriales "
La adaptación de superficies a nivel molecular para diseñar nuevos materiales abre posibilidades no solo para la biocomputación sino también en general para las separaciones químicas, la detección y la detección.
"Observar la interfaz líquido-líquido nos ayuda a comprender la química que impulsa todas estas tecnologías", dijo Doughty.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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