پروفسور لیانگ هائوجون از دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) از آکادمی علوم چین (CAS) روش جدیدی را برای فرار از فراپایداری برای خودآرایی در یک سیستم دور از تعادل پیشنهاد کرد. این مطالعه در منتشر شد PNAS.
خودآرایی به فرآیندی اطلاق می شود که در آن عناصر اولیه مونتاژ شده (مولکول ها، نانوذرات و غیره) به طور خود به خود ساختارهای منظمی را از طریق برهمکنش های غیرکووالانسی تشکیل می دهند. ظرفیت عالی آن برای ایجاد مواد جدید توجه را به خود جلب کرده است. در یک فرآیند مونتاژ ایده آل، سیستم به یک حالت ترمودینامیکی پایدار با کمترین انرژی آزاد می رسد و یک ساختار مونتاژ با کیفیت بالا را تشکیل می دهد. با این حال، برای سیستم مونتاژ بسیار دور از حالت تعادل، سیستم مستعد گیرکردن در فراپایداری است که در آن انرژی آزاد محلی بسیار کم است و مانع از تشکیل یک ساختار مونتاژ با کیفیت بالا می‌شود.
نحوه دور زدن فراپایداری در یک سیستم دور از تعادل به عنوان یک معمای چالش برانگیز در زمینه خودآرایی تلقی می شود. برای مونتاژ نانوذرات دارای عملکرد DNA، یک سیستم معمولی دور از تعادل، استراتژی بازپخت حرارتی کنترل شده با آنتروپی یک روش سنتی و به طور کلی پذیرفته شده برای فرار از فراپایداری است. با این وجود، تجمع و پراکندگی نانوذرات معمولاً در یک بازه دمایی باریک در طول بازپخت اتفاق می‌افتد. در اصلاح پیوندهای غیرکووالانسی نادرست، انرژی حرارتی انتخابی نیست. بازپخت حرارتی برای جمع آوری ذرات فعال بیولوژیکی یا تحت شرایط فیزیولوژیکی مفید نیست.
پروفسور LIANG و تیمش با الهام از مفهوم مونتاژ گربه ای که توسط آکادمیک TIAN Zhongqun از دانشگاه Xiamen پیشنهاد شده بود، راه جدیدی را برای دستیابی به مونتاژ کاتالیزوری نانوذرات کلوئیدی دارای عملکرد DNA در یک سیستم دور از تعادل ارائه کردند. بر اساس پیش‌بینی آنها بر روی شبیه‌سازی نظری و نتایج تحقیقات قبلی در مورد استراتژی کنترل آنتالپی ثابت برای مونتاژ نانوذرات، آنها از یک مولکول قابل جابجایی به نام «catassembler» استفاده کردند که به‌عنوان کاتالیزور عمل می‌کند تا پیوندهای ناقص را تنظیم کند و به سیستم کمک کند تا از فراپایداری فرار کند و در عین حال حفظ شود. چارچوب مونتاژ شده
در این استراتژی، رشته DNA کوتاه که به عنوان شتاب دهنده عمل می کند، یک اثر رقابتی مستقیم با انتهای پیوند روی سطح نانوذرات داخل ساختار مجموعه دارد و پیوند غیرکووالانسی اتصال اشتباه می تواند توسط رشته DNA گذرا اصلاح شود. واکنش جایگزینی، کمک به سیستم برای فرار از فراپایداری. در طول فرآیند، شتاب دهنده اسکلت کلی ساختار مونتاژ را از بین نمی برد و می تواند از ساختار مونتاژ نهایی حذف شود. علاوه بر این، با تغییر طراحی ساختاری شتاب دهنده، حتی می توان دوز شتاب دهنده را کاهش داد و کارایی آن را بهبود بخشید.
به همین ترتیب، بر اساس همین اصل، ساختارهای ابرشبکه‌ای با تقارن‌های کریستالی متفاوت را می‌توان با تغییر نوع هسته نانوذرات در یک سیستم دو جزئی و افزودن مستقیم شتاب‌دهنده DNA مربوطه پس از طراحی توالی DNA به‌دست آورد. این استراتژی اجرای مونتاژ نانوذرات را آسان می کند زیرا واکنش شیمیایی در دمای ثابت رخ می دهد. علاوه بر این، این استراتژی تنظیم شتاب دهنده DNA ساده و موثر است که تبدیل فاز “جامد – جامد” بین کریستال های کلوئیدی مختلف، پس از شکستن محدودیت های تنظیم دما و انرژی آزاد حالت فاز اولیه، آسان تر می شود. این پتانسیل کاربرد خود را در کامپوزیت های زیست معدنی تبدیل فاز “جامد-جامد” قابل تنظیم مجدد ساختاری نشان می دهد.
به عنوان یک روش کلی برای تنظیم برهمکنش‌های غیرکووالانسی در ساختارهای مونتاژ، انتظار می‌رود استراتژی شتاب‌دهنده پیشنهادی در این مطالعه به کنترل و ابداع فرآیندهای مونتاژ برای سایر سیستم‌های مواد نرم (پلی پپتیدها، کوپلیمرهای بلوک و غیره) که دور از تعادل
منبع:
دانشگاه علم و صنعت چین