p Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory e da University of Tennessee conseguiram um raro olhar sobre o funcionamento interno da automontagem de polímeros em uma interface óleo-água para desenvolver materiais para computação neuromórfica e tecnologias bioinspiradas. p Resultados publicados no Jornal da American Chemical Society fornecem novos insights sobre a forma como as moléculas se compactam e se organizam em interfaces "ajustáveis", superfícies espessas de monocamada com estruturas que podem ser modificadas para funcionalidades específicas.

p "Compreender as regras de design da química que acontecem na interface líquido-líquido, em última análise, informa como podemos fazer novos materiais com propriedades personalizadas, "disse Benjamin Doughty da Divisão de Ciências Químicas do ORNL.

p O estudo expande o interesse no uso de materiais macios para imitar bicamadas lipídicas - membranas seletivas com funções biológicas importantes, como o processamento de sinais através da rede neural do cérebro e o transporte de íons, proteínas, e outras moléculas através das células.

p Os co-autores projetaram previamente membranas biomiméticas usando gotículas de água revestidas com lipídios no óleo e demonstraram seu potencial como componentes sensoriais para neuromórficos, ou semelhante ao cérebro, computadores com processamento natural de informações, aprendizagem e memória.

p "Como os lipídios são inerentemente frágeis e se deterioram, estamos interessados ​​em desenvolver contrapartes baseadas em polímeros que ofereçam estabilidade e também possam nos dar uma gama de funcionalidades naturais, "disse Pat Collier, do Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do ORNL, um DOE Office of Science User Facility.

p Sem o conhecimento de química interfacial, Contudo, a criação de bicamadas funcionais a partir de moléculas naturais ou sintéticas envolve um certo grau de mistério. As espécies químicas interagindo em um copo de solução podem ou não formar membranas análogas com propriedades seletivas, como a capacidade de armazenar ou filtrar impulsos sensoriais que constituem a linguagem não digital da computação neuromórfica.

p "Ser capaz de treinar moléculas para fins específicos e desbloquear novas funcionalidades, precisamos entender o que está acontecendo em um nível molecular durante a automontagem, "Collier disse.

p Para o experimento, pesquisadores escolheram um oligômero, uma pequena variante de polímero com uma estrutura semelhante aos lipídios naturais, e usou métodos de espectroscopia de superfície para sondar a monocamada molecular - um lado de uma bicamada - formada entre a água e o óleo.

p A equipe ORNL é um dos poucos grupos que investigou a interface líquido-líquido, uma importante área de pesquisa, mas pouco estudado devido a desafios técnicos.

p "Nosso objetivo era investigar como a assimetria na interface óleo-água faz com que as espécies sejam adsorvidas de forma diferente, para embalar e solicitar em um design funcional, "Doughty disse.

p O oligômero estudado é uma molécula anfifílica, o que significa que partes de sua estrutura são hidrofóbicas, enquanto outras são hidrofílicas. Quando as amostras estabilizadas em óleo são introduzidas em uma solução à base de água, as moléculas se automontam em resposta à sua atração e repulsão mistas à água.

p Semelhante vai igual - as cabeças polares levemente carregadas dos oligômeros querem estar na fase de água, que também é polar, e as caudas apolares querem estar na fase de óleo, que não é.

p "Being able to observe in real time how these molecules arrange at a varied interface is a broadly applicable fundamental scientific accomplishment, " Doughty said.

p 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.

p "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.

p Too few ions and the tails spread out loosely, leaving gaps; too many, and they squeeze in, ballooning from the surface.

p "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."

p 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.

p "Observing the liquid-liquid interface helps us understand the chemistry that drives all of these technologies, " said Doughty.