A automontagem é onipresente no mundo natural, servindo como uma rota para formar estruturas organizadas em todos os organismos vivos. Este fenômeno pode ser visto, por exemplo, quando duas fitas de DNA - sem qualquer estímulo externo ou orientação - se unem para formar uma dupla hélice, ou quando um grande número de moléculas se combinam para criar membranas ou outras estruturas celulares vitais. Tudo vai para o seu devido lugar, sem que um construtor invisível tenha que colocar todas as peças juntas, um por vez.

Nas últimas décadas, cientistas e engenheiros têm seguido o exemplo da natureza, projetando moléculas que se montam na água, com o objetivo de fazer nanoestruturas, principalmente para aplicações biomédicas, como administração de drogas ou engenharia de tecidos. "Esses materiais baseados em pequenas moléculas tendem a se degradar rapidamente, "explica Julia Ortony, professor assistente no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) do MIT, "e eles são quimicamente instáveis, também. Toda a estrutura desmorona quando você remove a água, particularmente quando qualquer tipo de força externa é aplicada. "

Ela e sua equipe, Contudo, projetaram uma nova classe de pequenas moléculas que se agrupam espontaneamente em nanofitas com uma força sem precedentes, retendo sua estrutura fora da água. Os resultados deste esforço de vários anos, que pode inspirar uma ampla gama de aplicações, foram descritos em 21 de janeiro na Nature Nanotechnology de Ortony e co-autores.

"Este trabalho seminal - que produziu propriedades mecânicas anômalas por meio de automontagem altamente controlada - deve ter um grande impacto no campo, "afirma o professor Tazuko Aida, vice-diretor do RIKEN Center for Emergent Matter Science e professor de química e biotecnologia da Universidade de Tóquio, que não participou da pesquisa.

O material que o grupo do MIT construiu - ou melhor, permitido construir a si mesmo - é modelado a partir de uma membrana celular. Sua parte externa é "hidrofílica, "o que significa que gosta de estar na água, enquanto sua parte interna é "hidrofóbica, "o que significa que tenta evitar a água. Esta configuração, Comentários de Ortony, "fornece uma força motriz para a automontagem, "à medida que as moléculas se orientam para minimizar as interações entre as regiões hidrofóbicas e a água, consequentemente, assumindo uma forma em nanoescala.

A forma, nesse caso, é conferido pela água, e normalmente toda a estrutura entraria em colapso quando seca. Mas Ortony e seus colegas bolaram um plano para impedir que isso acontecesse. Quando as moléculas estão fracamente ligadas, eles se movem rapidamente, análogo a um fluido; conforme a força das forças intermoleculares aumenta, o movimento fica mais lento e as moléculas assumem um estado sólido. A ideia, Ortony explica, "é diminuir o movimento molecular por meio de pequenas modificações nas moléculas individuais, o que pode levar a um coletivo, e esperançosamente dramático, mudança nas propriedades da nanoestrutura. "

Uma maneira de desacelerar as moléculas, observa Ty Christoff-Tempesta, um Ph.D. aluno e primeiro autor do artigo, "é fazer com que eles se agarrem uns aos outros com mais força do que em sistemas biológicos." Isso pode ser realizado quando uma rede densa de fortes ligações de hidrogênio unem as moléculas. "Isso é o que dá a um material como o Kevlar - construído das chamadas 'aramidas' - sua estabilidade química e resistência, "afirma Christoff-Tempesta.

A equipe de Ortony incorporou essa capacidade em seu projeto de uma molécula que tem três componentes principais:uma parte externa que gosta de interagir com a água, aramidas no meio para ligação, e uma parte interna com forte aversão à água. Os pesquisadores testaram dezenas de moléculas que atendiam a esses critérios antes de encontrar o design que levou a longas fitas com espessura em escala nanométrica. Os autores então mediram a força e a rigidez das nanofitas para entender o impacto da inclusão de interações do tipo Kevlar entre as moléculas. Eles descobriram que as nanofitas eram inesperadamente robustas - mais fortes do que o aço, na verdade.

Essa descoberta levou os autores a se perguntarem se as nanofitas poderiam ser agrupadas para produzir materiais macroscópicos estáveis. O grupo de Ortony desenvolveu uma estratégia pela qual nanofitas alinhadas eram puxadas em longos fios que podiam ser secos e manuseados. Notavelmente, A equipe de Ortony mostrou que os fios podiam suportar 200 vezes seu próprio peso e ter áreas de superfície extraordinariamente altas - 200 metros quadrados por grama de material. "Esta alta proporção de superfície para massa oferece uma promessa para tecnologias de miniaturização, realizando mais química com menos material, "explica Christoff-Tempesta. Para tanto, eles já desenvolveram nanofitas cujas superfícies são revestidas com moléculas que podem puxar metais pesados, como chumbo ou arsênico, fora da água contaminada. Outros esforços do grupo de pesquisa visam o uso de nanofitas agrupadas em dispositivos eletrônicos e baterias.

Ortony, por sua parte, ainda está surpreso por terem conseguido atingir seu objetivo original de pesquisa de "ajustar o estado interno da matéria para criar nanoestruturas moleculares excepcionalmente fortes". As coisas poderiam facilmente ter acontecido de outra maneira; esses materiais podem ter se mostrado desorganizados, ou suas estruturas são frágeis, como seus predecessores, apenas aguentando na água. Mas, ela diz, "Ficamos entusiasmados em ver que nossas modificações na estrutura molecular foram de fato amplificadas pelo comportamento coletivo das moléculas, criando nanoestruturas com propriedades mecânicas extremamente robustas. O próximo passo, descobrir os aplicativos mais importantes, será emocionante. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.