Selbstzerstörende Materialien können verschwindende Tinte erzeugen

Dieses Molekül wird in 10, 9, 8 verschwinden ...

Wissenschaftler haben ein neues Material geschaffen, das sich zu einer bestimmten Zeit einfach selbst zerstört. Der Prozess, der sich von der Art und Weise inspirieren lässt, wie das Leben Moleküle verwendet und wiederverwendet, könnte den Weg ebnen für Materialien, die nicht recycelt werden müssen, sondern stattdessen einfach zu einem bestimmten Zeitpunkt zerfallen. Der Befund könnte zu verschiedenen Produkten führen, einschließlich Strukturen für die Wirkstoffabgabe, Transplantationsanker und verschwindende Tinte.

Das Geheimnis hinter diesen selbstzerstörerischen Molekülen ist, dass sie einen winzigen Energieeintrag benötigen, um in ihrer nützlichen Form zu bleiben - ohne sie sind sie ... poof.

"Sie sind Materialien, die nicht diese Art von Material sein wollen. Sie sind eher die ursprünglichen Bausteine", sagte Studienkoautor Job Boekhoven, ein Chemiker an der Technischen Universität München in Deutschland. "Sie würden lieber auseinanderfallen und nichts sein." [Biomimicry: 7 Coole Technologien von der Natur inspiriert]

Bausteine ​​des Lebens

Wenn Menschen mit einem Objekt fertig sind, werfen sie es auf eine Mülldeponie, wo es sehr, sehr langsam zusammenbricht; oder sie verbrennen es zu Asche; oder sie recyceln ihre Materialien, indem sie sie ausgiebig verarbeiten und dann in die Lieferkette zurückbringen. All diese Methoden verschwenden eine enorme Menge an Material oder Energie.

Aber das Leben verschwendet keine Moleküle in der gleichen Weise, hauptsächlich wegen der Verwendung von chemischen Bindungen, sagte Boekhoven.

Zum Beispiel werden die meisten von Menschen gemachten Festkörper durch eine Art von molekularer Ehe, die kovalente Bindung genannt wird, geschaffen, in der Atome Elektronen teilen. Diese unglaublich starken Bindungen sind schwer aufzubrechen. Denken Sie an ein Kunststoffpolymer, das durch Erhitzen der Grundbausteine ​​aus einem Erdölprodukt hergestellt wird. Sie bilden zähe Kohlenstoffbindungen, die Bakterien nicht brechen können, weshalb Kunststoffe nicht biologisch abgebaut werden, berichtete Live Science zuvor.

Aber das Leben beruht auf etwas, das mehr wie gelegentliche Verbindungen ist: viel schwächere molekulare Wechselwirkungen wie ionische, Van-der-Waals- oder Wasserstoffbrückenbindung, sagte Boekhoven. Zum Beispiel ist die Wasserstoffbindung, die Art von elektrostatischer Anziehung, die in Wasser gefunden wird, in der sich die positiven und negativen Enden von Molekülen ausrichten, 10 mal schwächer als die kovalente Bindung, bei der Atome Elektronen teilen. Und Van-der-Waals-Kräfte, in denen sich die ständig wechselnden Elektronenwolken der Atome leicht neu ordnen, um die Abstoßung zu verringern oder die Anziehungskraft zu verstärken, verschwinden in größeren Entfernungen.

Das Leben hängt auch von einem anderen Schlüsselfaktor ab, der für die neuen verschwindenden Moleküle wichtig ist: Die molekularen Strukturen, die das Leben nutzt, sind immer "aus dem Gleichgewicht", was bedeutet, dass sie einen konstanten Energiefluss benötigen, um weiter zu funktionieren. Ohne diese zusätzliche Energie (zum Beispiel aus der Nahrung) werden diese Moleküle schließlich von selbst dissoziieren und in einen einfacheren Zustand zurückkehren.

"Eine Zelle benötigt ständig Nährstoffe und Energie", sagte Boekhoven Live Science. "Sonst würde es einfach in seine einfachen Bausteine ​​zerfallen."

Ein Vorteil des Ansatzes des Lebens ist, dass es einfach ist, die komplexere Struktur mit ein wenig Energieaufwand schnell wieder zusammenzusetzen, was bedeutet, dass lebensbasierte Moleküle im Wesentlichen selbstheilend sind, sagte Boekhoven.

Selbstzerstörende Moleküle

In der aktuellen Arbeit haben Boekhoven und seine Kollegen beschlossen, eine Seite aus der Materialzusammenstellung des Lebens zu nehmen. Um dies zu erreichen, haben die Forscher einige verschiedene Arten von Materialien geschaffen, die Energie benötigen, um in ihren aktuellen Formen zu bleiben, die die Wissenschaftler supramolekulare Moleküle nennen.

Die erste war ein einfaches Kolloid aus winzigen Perlen, von denen jede nur 1 Prozent so groß wie der Durchmesser eines menschlichen Haares ist, sagte Boekhoven. Wenn der Brennstoff hinzugefügt wird, sammeln sich die Miniaturperlen wie eine Perlenkette und sie können abgestimmt werden, um sie in einer bestimmten Reihenfolge und zu bestimmten Zeiten zu montieren und zu demontieren. Boekhoven sagte, dass er sich vorstellt, dass diese Materialien verwendet werden, um Drogen zu liefern. Zum Beispiel müssen bestimmte Medikamente die Magensäure umgehen, und wenn sie erst nach dem Eintreffen in den Darm disassembliert werden sollen, könnten sie Medikamente schützen, bis sie den gewünschten Ort erreichen, sagte Boekhoven.

Die Forscher testeten auch ein lockeres kristallines Material, das normalerweise durchsichtig ist, aber trübe und undurchsichtig wird, wenn ein Brennstoff darauf gegossen wird. Wenn der Kraftstoff verbraucht ist, werden dunkle Flecken wieder klar. Das Team geht davon aus, dass dieses Material als vollständig löschbare Tinte verwendet wird, berichteten die Forscher am 18. Juli in der Fachzeitschrift Nature Communications.

"So können Sie eine temporäre Nachricht erstellen, die mit einer vordefinierten Lebensdauer löscht", sagte Boekhoven. Ein solches Material könnte den Gebrauch von normalem Papier in Sachen wie Rechnungen, Tickets und Quittungen drastisch reduzieren, sagte er.

Noch ein anderes Material wird aus langen Fasern gebildet, die sich selbst zu Strukturen zusammenfügen, die eines Tages verwendet werden könnten, um ein Gewebetransplantat an Ort und Stelle zu verankern, bis der Körper es übernehmen kann; das Material würde dann verschwinden, sagten die Forscher.

Wenn sich diese Materialien selbst zusammenlagern und abbauen, und sie Energie benötigen, um zu existieren, dann "leben" sie in gewissem Sinne?

Im Moment hat keines dieser Materialien wirklich irgendwelche Eigenschaften des Lebens, sagte Boekhoven. Aber Forscher auf dem Gebiet fangen an, sich zu fragen, was die notwendigen Bestandteile für das Bilden eines wirklich sich selbst reproduzierenden Partikels sind, sagte Boekhoven.

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