Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory et de l'Université du Tennessee ont suivi l'auto-assemblage du polymère à l'interface liquide-liquide en temps réel. Crédit :Michelle Lehman/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory et de l'Université du Tennessee ont réalisé un rare aperçu du fonctionnement interne de l'auto-assemblage de polymères à une interface huile-eau pour faire progresser les matériaux pour l'informatique neuromorphique et les technologies bio-inspirées.
Résultats publiés dans le Journal de l'American Chemical Society fournir de nouvelles informations sur la façon dont les molécules s'emballent et s'ordonnent dans des interfaces « accordables », surfaces épaisses monocouches avec des structures qui peuvent être modifiées pour des fonctionnalités spécifiques.
« Comprendre les règles de conception de la chimie qui se produit à l'interface liquide-liquide indique en fin de compte comment nous pouvons fabriquer de nouveaux matériaux avec des propriétés personnalisées, " a déclaré Benjamin Doughty de la division des sciences chimiques de l'ORNL.
L'étude élargit l'intérêt pour l'utilisation de matériaux mous pour imiter les bicouches lipidiques - des membranes sélectives avec des fonctions biologiques importantes, tels que le traitement des signaux à travers le réseau neuronal du cerveau et le transport des ions, protéines, et d'autres molécules à travers les cellules.
Les co-auteurs ont précédemment conçu des membranes biomimétiques à l'aide de gouttelettes d'eau enduites de lipides dans de l'huile et ont démontré leur potentiel en tant que composants sensoriels pour le neuromorphisme, ou semblable à un cerveau, ordinateurs avec traitement naturel de l'information, apprentissage et mémoire.
« Parce que les lipides sont intrinsèquement fragiles et se décomposent, nous sommes intéressés par le développement d'homologues à base de polymères qui offrent une stabilité et peuvent également nous donner une gamme de fonctionnalités naturelles, " a déclaré Pat Collier du Centre des sciences des matériaux en nanophase de l'ORNL, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Sans la connaissance de la chimie interfaciale, cependant, créer des bicouches fonctionnelles à partir de molécules naturelles ou synthétiques comporte un certain degré de mystère. Les espèces chimiques interagissant dans un bécher de solution peuvent ou non former des membranes analogues aux propriétés sélectives, comme la capacité de stocker ou de filtrer les impulsions sensorielles qui constituent le langage non numérique de l'informatique neuromorphique.
« Pouvoir entraîner des molécules à des fins spécifiques et débloquer de nouvelles fonctionnalités, nous devons comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire lors de l'auto-assemblage, " dit Collier.
Pour l'expérimentation, les chercheurs ont choisi un oligomère, une petite variante de polymère avec une structure similaire aux lipides naturels, et utilisé des méthodes de spectroscopie de surface pour sonder la monocouche moléculaire (un côté d'une bicouche) formée entre l'eau et l'huile.
L'équipe ORNL est l'un des rares groupes à avoir sondé l'interface liquide-liquide, un domaine de recherche important, mais sous-étudié en raison de défis techniques.
Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory et de l'Université du Tennessee ont suivi en temps réel comment les polymères s'auto-assemblent en monocouches à une interface huile-eau. Cette animation représente la formation de la monocouche. Crédit :Michelle Lehman/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
"Notre objectif était d'étudier comment l'asymétrie à l'interface huile-eau fait que les espèces s'adsorbent différemment, emballer et commander dans un design fonctionnel, " dit Doughty.
L'oligomère étudié est une molécule amphiphile, ce qui signifie que certaines parties de sa structure sont hydrophobes tandis que d'autres sont hydrophiles. Lorsque des échantillons stabilisés dans l'huile sont introduits dans une solution à base d'eau, les molécules s'auto-assemblent en réponse à leur attraction et répulsion mixtes pour l'eau.
Comme va à aimer - les têtes polaires légèrement chargées des oligomères veulent être en phase aqueuse, qui est aussi polaire, et les queues non polaires veulent être en phase huileuse, qui n'est pas.
"Être capable d'observer en temps réel comment ces molécules s'arrangent à une interface variée est une réalisation scientifique fondamentale largement applicable, " dit Doughty.
As shown in the animation, the charged oligomer heads home in on the water phase; but the flexible tails coil up in the oil when they have room to spare, or tighten to accommodate neighbors as the interface becomes crowded.
"We discovered that adjusting the ions, or charged particles, 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; too many, 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.
