2020-02-28 08:24:01
聚合物陷入了对油和水的讨厌化学反应中

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橡树岭国家实验室和田纳西大学的研究人员对油水界面中聚合物自组装的内部工作方式进行了罕见的研究,以改进用于神经形态计算和生物启发技术的材料。

发表在《美国化学学会杂志》上的结果提供了有关分子堆积和将自身排列成“可调”界面的方式的新见解,界面是单层厚表面,具有可以针对特定功能进行修饰的结构。

ORNL化学科学部的本杰明·杜迪(Benjamin Doughty)表示:“了解在液-液界面发生的化学反应的设计规则最终将指导我们如何制造具有定制特性的新材料。”

这项研究引起了人们对使用软材料来模仿脂双层的兴趣,脂双层是具有重要生物学功能的选择性膜,例如处理大脑神经网络中的信号以及跨细胞传输离子,蛋白质和其他分子的过程。

共同作者以前使用油中涂有脂质的水滴设计了仿生膜,并证明了其作为具有自然信息处理,学习和记忆功能的神经形态或类似大脑的计算机的感觉组件的潜力。

美国能源部科学用户办公室ORNL纳米相材料科学中心的Pat Collier说:“由于脂质天生易碎且易腐烂,因此我们有兴趣开发能够提供稳定性并还可以赋予我们一系列天然功能的基于聚合物的对应物。”设施。

然而,在不了解界面化学的情况下,由天然或合成分子创建功能双层涉及一定程度的神秘性。在溶液烧杯中相互作用的化学物种可能会或可能不会形成具有选择性特性的类似膜,例如具有存储或过滤构成神经形态计算的非数字语言的感觉冲动的能力。

“为了能够为特定目的训练分子并释放新功能,我们需要了解自组装过程中分子水平上发生的事情,”科利尔说。

在实验中,研究人员选择了一种低聚物,即一种与天然脂质具有相似结构的小的聚合物变体,并使用表面光谱学方法探测了在水和油之间形成的分子单层(双层的一侧)。

ORNL团队是探索液-液界面的重要团队之一,液-液界面是重要的研究领域,但由于技术挑战而未被充分研究。

Doughty说:“我们的目标是研究油水界面的不对称性如何导致物种不同地吸收,填充并有序进入功能设计。”

所研究的低聚物是两亲性分子,这意味着其结构的一部分是疏水的,而其他则是亲水的。当将稳定在油中的样品引入水基溶液中时,分子会因其混合的吸引力和对水的排斥力而自组装。

就像去一样-低聚物的带轻微电荷的极性头想要在水相中,而极性也是极性的,而非极性的尾巴想要在油相中却不是极性。

Doughty说:“能够实时观察这些分子如何在不同的界面上排列是广泛适用的基础科学成就。”

如动画所示,带电的低聚物会回到水相中。但是柔性尾巴在有剩余空间时会缠绕在油中,或者在接口变得拥挤时拧紧以容纳邻居。

“我们发现调整水相中的离子或带电粒子有助于形成明确的界面,低聚物呈现出更紧密的螺旋结构,” Doughty说。

离子太少,尾巴散开,留有空隙;太多,它们挤进来,从表面膨胀。

“研究结果指出了改变单分子层的大小和形状的方法,并在下一阶段使双层分子具有不对称的设计,就像天然脂质一样。”科利尔说。 “这项工作使我们更加接近释放生物材料的新潜力。”

在分子水平上定制表面以设计新材料,不仅为生物计算提供了可能性,而且为化学分离,传感和检测广泛地提供了可能性。

Doughty说:“观察液-液界面有助于我们理解驱动所有这些技术的化学反应。”

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