Исследователи из японского института RIKEN продемонстрировали метод управления самосборкой палочковидных вирусов с использованием магнитных полей. Эта работа, опубликованная в журнале Nature Communications, позволяет создавать дискообразные структуры с точно контролируемыми формой и размером.
Команда под руководством Ясухиро Исиды (Yasuhiro Ishida) из Центра науки об эмерджентных материалах RIKEN (RIKEN Center for Emergent Matter Science) сосредоточилась на имитации природных процессов самосборки, стремясь преодолеть существующие ограничения искусственных аналогов.
В природе самосборка происходит спонтанно, эффективно и с высокой точностью. Биологические структуры, такие как белковые оболочки вирусов, прекращают рост, достигнув определённой формы и размера, например, сферы или трубки заданного диаметра.
Искусственная самосборка, активно применяемая в нанотехнологиях и материаловедении, часто сталкивается с проблемой неконтролируемого роста. Процесс имеет тенденцию продолжаться неопределённо долго, что приводит к широкому разбросу конечных размеров и форм структур.
Ясухиро Исида поставил вопрос: как природа контролирует размер структур при самосборке, особенно в равновесных условиях? Целью исследования стало воспроизведение этого природного контроля в лабораторных условиях.
В экспериментах использовались палочковидные вирусы, обладающие свойством хиральности – они предпочитают упаковываться с небольшим взаимным скручиванием. Без внешнего воздействия вирусы самособираются в диски, но накопление скручивания между соседними частицами ограничивает дальнейший рост при достижении определённого диаметра.
Приложение магнитного поля в процессе самосборки изменяет ситуацию. Поле уменьшает степень скручивания между соседними вирусами. Это позволяет дискам расти до больших размеров, чем в отсутствие поля.
Ключевым результатом стало то, что интенсивность приложенного магнитного поля напрямую коррелирует с конечным диаметром формирующихся дисков. Таким образом, исследователи получили систему самосборки, где размер конечного продукта можно точно настраивать.
По словам Исиды, созданный процесс обладает преимуществом перед природными системами: он может адаптивно изменять конечную точку своего роста, чего обычно не наблюдается в естественных условиях.
Неожиданным наблюдением стало поведение дисков после отключения магнитного поля уже после их формирования. Структуры начинали медленно раскручиваться, образуя штопорообразные спирали. Исида назвал этот процесс «завораживающим зрелищем».
Команда Исиды стремится выйти за рамки простого копирования природы и разработать инновационные системы самосборки. Конечная цель, по мнению Исиды, заключается в использовании таких контролируемых процессов для создания новых технологий.
Одним из потенциальных применений управляемой самосборки может стать разработка инструментов для проведения малоинвазивных хирургических операций внутри человеческого тела.
Команда под руководством Ясухиро Исиды (Yasuhiro Ishida) из Центра науки об эмерджентных материалах RIKEN (RIKEN Center for Emergent Matter Science) сосредоточилась на имитации природных процессов самосборки, стремясь преодолеть существующие ограничения искусственных аналогов.
В природе самосборка происходит спонтанно, эффективно и с высокой точностью. Биологические структуры, такие как белковые оболочки вирусов, прекращают рост, достигнув определённой формы и размера, например, сферы или трубки заданного диаметра.
Искусственная самосборка, активно применяемая в нанотехнологиях и материаловедении, часто сталкивается с проблемой неконтролируемого роста. Процесс имеет тенденцию продолжаться неопределённо долго, что приводит к широкому разбросу конечных размеров и форм структур.
Ясухиро Исида поставил вопрос: как природа контролирует размер структур при самосборке, особенно в равновесных условиях? Целью исследования стало воспроизведение этого природного контроля в лабораторных условиях.
В экспериментах использовались палочковидные вирусы, обладающие свойством хиральности – они предпочитают упаковываться с небольшим взаимным скручиванием. Без внешнего воздействия вирусы самособираются в диски, но накопление скручивания между соседними частицами ограничивает дальнейший рост при достижении определённого диаметра.
Приложение магнитного поля в процессе самосборки изменяет ситуацию. Поле уменьшает степень скручивания между соседними вирусами. Это позволяет дискам расти до больших размеров, чем в отсутствие поля.
Ключевым результатом стало то, что интенсивность приложенного магнитного поля напрямую коррелирует с конечным диаметром формирующихся дисков. Таким образом, исследователи получили систему самосборки, где размер конечного продукта можно точно настраивать.
По словам Исиды, созданный процесс обладает преимуществом перед природными системами: он может адаптивно изменять конечную точку своего роста, чего обычно не наблюдается в естественных условиях.
Неожиданным наблюдением стало поведение дисков после отключения магнитного поля уже после их формирования. Структуры начинали медленно раскручиваться, образуя штопорообразные спирали. Исида назвал этот процесс «завораживающим зрелищем».
Команда Исиды стремится выйти за рамки простого копирования природы и разработать инновационные системы самосборки. Конечная цель, по мнению Исиды, заключается в использовании таких контролируемых процессов для создания новых технологий.
Одним из потенциальных применений управляемой самосборки может стать разработка инструментов для проведения малоинвазивных хирургических операций внутри человеческого тела.