Учёные создали супрамолекулярные полимеры с кооперативной самоорганизацией

Исследователи из Университета Тиба (Япония) раскрыли механизм кооперативной самоорганизации синтетических супрамолекулярных полимеров, имитирующий процессы в живых системах, таких как микротрубочки. Это открывает путь к созданию новых материалов для нанотехнологий и мягкой робототехники.

(a) Кооперативная самоорганизация биологических супрамолекулярных полимеров. (b) Схематическая иллюстрация кооперативной самоорганизации в данной системе. Автор: доктор Хироки Ханаяма / Университет Тиба, Япония.

Доц. Хироки Ханаяма и проф. Сики Ягай с коллегами исследовали самоорганизацию мономеров на основе арилбарбитуратов. Их работа, опубликованная в Journal of the American Chemical Society, показала, что спиралевидные структуры формируются благодаря двум различным нековалентным взаимодействиям: π-π стэкингу соседних молекул и взаимодействию алкильных боковых цепей соседних витков спирали.

«Эта концепция может фундаментально изменить подход к дизайну молекулярных материалов. Будущие стратегии будут сосредоточены на программировании взаимодействий в нескольких измерениях для достижения кооперативности», — отмечает доктор Ханаяма.

Ключевым открытием стало то, что намеренное ослабление π-π взаимодействий между соседними молекулами за счёт уменьшения размера π-сопряжённого ядра усиливает взаимодействия алкильных цепей. Это, в свою очередь, способствует образованию протяжённых спиралевидных структур. С помощью атомно-силовой микроскопии учёные показали, что эти структуры обратимо меняются в ответ на температуру и концентрацию.

При высоких температурах взаимодействие между витками ослабевает, и спирали превращаются в линейные волокна, которые со временем могут формировать кольцевые структуры. Такое уникальное поведение принципиально отличается от обычных супрамолекулярных полимеров и может быть использовано для создания высокочувствительных материалов, реагирующих на малейшие изменения окружающей среды.

Внедрение сложной кооперативности живых систем в дизайн полимерных материалов, по мнению учёных, заложит технологическую основу для следующего поколения мягкой робототехники и прецизионных нанотехнологий.