Команда кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института разработала новый класс небольших молекул, которые собираются в наноленты, сохраняя свою структуру без воды. При этом прочность нанолент выше, чем у стали.

Доцент Джулия Ортони объясняет, что самосборка широко распространена в мире природы. Последние пару десятилетий ученые и инженеры следуют этому примеру, создавая молекулы, которые собираются в воде, с целью формирования наноструктур, которые могут использоваться для целей биомедицины.

Проблема, по словам Ортони, была в том, что такие низкомолекулярные материалы, как правило, довольно быстро разлагаются и химически нестабильны, то есть наноструктура разрушается без воды.

Материал от МТИ смоделирован по образцу клеточной мембраны. Его внешняя часть «гидрофильная», а внутренняя, наоборот, «гидрофобна». Эта конфигурация, говорит Ортони, «обеспечивает движущую силу для самосборки», поскольку молекулы выстраиваются так, чтобы минимизировать взаимодействия между гидрофобными областями и водой.

Чтобы конструкция не разрушалась при удалении воды, исследователи замедлили молекулярное движение за счет небольших модификаций отдельных молекул. По мере увеличения силы межмолекулярных сил движение замедляется, и молекулы переходят в твердое состояние. Молекулы соединили плотной сетью прочных водородных связей, чтобы замедлить их движение.

Исследователи протестировали десятки молекул, чтобы создать ленту в нанометровом масштабе. Затем авторы измерили прочность и жесткость этих нанолент, чтобы понять влияние включения кевларовых взаимодействий между молекулами. Они обнаружили, что наноленты оказались неожиданно прочными — больше, чем сталь.

Это открытие заставило авторов задуматься, можно ли связать наноленты для получения стабильных макроскопических материалов. Группа Ортони разработала стратегию, при которой наноленты стягивались в длинные нити, которые можно было сушить и обрабатывать. Нити могут выдерживать вес в 200 раз больше собственного и имеют чрезвычайно большую площадь поверхности — 200 квадратных метров на грамм материала.

Уже разработаны наноленты, поверхности которых покрыты молекулами, притягивающими тяжелые металлы, например, свинец или мышьяк. Технологию можно использовать для очистки загрязненной воды.

Другие усилия исследовательской группы направлены на использование связанных нанолент в электронных устройствах и батареях.