Nowe spojrzenie na dynamikę materiałów samoorganizujących
Natura wykorzystuje samoorganizację do tworzenia materiałów molekularnych, takich jak włókna białek komórkowych lub mikrotubule, które dostosowują się i dynamicznie reagują na określone bodźce - na przykład zmiany temperatury i sygnały chemiczne. Tworzenie syntetycznych materiałów o podobnych właściwościach stanowi niezwykle obiecujące rozwiązanie w kontekście wielu rozwiązań technologicznych.
Samoorganizacja molekularna a struktury supramolekularne
Zespół projektu DYNAPOL, wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), miał na celu zbadanie mechanizmów molekularnych odpowiadających za kontrolę właściwości dynamicznych samoorganizujących się materiałów, co stanowi pierwszy kluczowy krok w kierunku projektowania nowych rodzajów materiałów do różnych zastosowań. Samoorganizacja polega na projektowaniu mniejszych jednostek, które w danych warunkach rozpoznają się wzajemnie, łączą i rosną. Intrygującą cechą charakterystyczną, która występuje w czasie procesów samoorganizacji w określonych środowiskach i warunkach, jest wewnętrznie dynamiczny stan. „Można to przyrównać do zabawy klockami Lego... jeśli wyobrazimy sobie klocki Lego, które mogą się samodzielnie organizować i rekonfigurować”, mówi Giovanni Pavan, koordynator projektu DYNAPOL z Politechniki w Turynie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) we Włoszech. „Materiały uzyskane w ten sposób mogą mieć intrygujące właściwości, takie jak responsywność, możliwość przystosowania i recyklingu - podobnie jak w przypadku klocków Lego, można rozbić złożone struktury na ich części składowe”.
Skupienie na dynamice
W ramach projektu DYNAPOL Pavan chciał skupić się na znaczeniu dynamiki w samoorganizujących się strukturach. „Wiemy, że dynamika ma fundamentalne znaczenie dla właściwości materiałów supramolekularnych”, dodaje badacz. „Czułem jednak, że wciąż nie rozumiemy czynników wpływających na tę dynamikę”. Istotą projektu było zatem symulowanie nie tylko struktur lub procesów samoorganizacji, ale także dynamicznych przejść i komunikacji, która zachodzi między samoorganizującymi się materiałami na poziomie molekularnym. Kluczowym wyzwaniem było uzyskanie rozdzielczości potrzebnej do obserwacji zdarzeń na poziomie molekularnym, a nawet submolekularnym, podczas badania dynamiki supramolekularnej tych układów. W ramach projektu DYNAPOL badacze zastosowali szereg narzędzi, w tym modelowanie wieloskalowe, zaawansowane symulacje, uczenie maszynowe i rozwój oprogramowania w celu zbadania różnych samoorganizujących się układów. Zespół opracował także nowe metody i narzędzia do wykrywania fluktuacji w dowolnych rodzajach dynamicznie samoorganizujących się materiałów i wykorzystania tych danych do poznania czynników molekularnych, które kontrolują ich dynamiczne właściwości inspirowane biologią.
Nowe materiały na potrzeby różnych zastosowań
Głównym rezultatem projektu DYNAPOL było wykazanie, że dynamiczne układy samoorganizujące się zachowują się jak układy złożone. „Oznacza to, że występują w nich właściwości, których nie można łatwo przypisać właściwościom ich elementów składowych - zależą raczej od komunikacji molekularnej, zmienności i dynamicznych fluktuacji”, wyjaśnia Pavan. Projekt wywarł ogromny wpływ na materiałoznawstwo - zespół wydał przeszło 60 artykułów naukowych w kluczowych czasopismach. Rezultaty prac mogą także zostać wykorzystane w praktyce. Przedstawiciele dziedzin, w których dynamika ma kluczowe znaczenie - od akumulatorów i obrazowania po dostarczanie leków i materiały adaptacyjne - analizują możliwości, jakie można osiągnąć dzięki nowym rodzajom materiałów. „Wyobraźmy sobie na przykład krem medyczny lub emulsję, którą nakładamy na skórę, w której składzie będą samoorganizujące się cząsteczki zawierające leki, które mogą autonomicznie wiązać się i skanować powierzchnie, szukając nadekspresji określonych receptorów i uwalniając leki tylko tam, gdzie są potrzebne”, zauważa Pavan. „Tak właśnie działa nasz układ odpornościowy. Możemy czerpać inspirację z natury i uczyć się, jak możemy wykorzystać samoorganizację do zbudowania inteligentnych rozwiązań w oparciu o nowe rodzaje dynamicznych materiałów”.
