Ajankohtaista

self-assembling_materials_picture.jpg

Laskennallisesti kohti uusia itsestään järjestyviä materiaaleja

28.06.2012

Itsejärjestäytyvillä molekyylimateriaaleilla on valtava määrä sovellutuksia paitsi perusbiologiassa myös teknologiassa: synteettiset molekyylikalvot toimivat erilaisina suodattimina, energiasovellutuksissa ionikalvoina tai itsemuodostuvina pinnoitteina. Itsejärjestyviä molekyylimateriaaleja käytetään myös lääkekuljetuksessa, molekyylisensoreina ja molekyylien liuotuksessa tai suojakuorina.

Kemian laitoksella toimiva Novel Materials via Self-Assembly -tutkimusryhmä tutkii laskennallisesti ja teoreettisesti itsejärjestäytyviä molekyylimateriaaleja. Molekulaarisen itsejärjestäytymisen tutkimus on alana uusi ja poikkitieteellinen. Itsejärjestäytyvistä molekyylimateriaaleista, niiden rakenteista ja käytöstä on biologiassa ja kemiantekniikassa suuri määrä kokeellista tietoa ja kokemusperäistä ymmärrystä mutta ennustavalla tasolla olevaa ymmärrystä itsejärjestäytymisestä ei ole. Esimerkiksi proteiinin sekvenssi tunnetaan täsmällisesti ja laskostuneen proteiinin rakenne voidaan luodata proteiinikiteistä mutta sekvenssipohjainen rakenteen päättely, dynamiikan tai toiminnan ennustaminen ei ole mahdollista tällä hetkellä. Polymeerikalvo kasvaa ja rakenne on vakaa, mutta miksi näin on? Kokeellisesti tällaiset molekyylisysteemit ovat haastavia luodattavia. Termodynaamisia bulkkiominaisuuksia ja pääasiassa makroskooppisia suureita sekä erilaisia transitiopisteitä voidaan määrittää mutta itsejärjestäytyminen on usein hienovaraisesti mikrorakenneriippuvaista.

Lisähaasteen tuo, että varauskorrelaatiot ovat tyypillisesti merkitseviä polyelektrolyyttien ja ionisten surfaktanttien käytöksessä, mikä tekee keskeiskenttäapproksimaatioista usein riittämättömiä teoreettisia kuvauksia. Tällaisille systeemeille tietokonesimulointi antaa voimakkaan työkalun ymmärryksen luomiseen, koska se mahdollistaa mikrorakenneriippuvaisuuden mukaan lukien varausjakauman merkityksen huomioon ottamisen rakenteen ja sen dynamiikan laskemisessa.

Tällä hetkellä ryhmässä tutkitaan surfaktanttien ja varattujen polymeerien (polyelektrolyyttien) itsejärjestäytymiskäytöstä vesiliuoksessa ja vesi-kiinteä-rajapinnalla. Tutkimusesimerkkinä sivun ylhäällä olevassa kuvassa on visualisoitu ionien järjestäytymistä varattujen polymeerien ympärille kahdella eri laskennallisella kuvaustarkkuudella. Varauskorrelaatiot ovat yksi tekijä itsejärjestäytymisessä.

self-assembling materials_pic.jpg

Toisena esimerkkinä ryhmässä tehtävästä tutkimuksesta yllä olevassa kuvassa on surfaktanttien rajapintakäytöstä neste-kiinteä-rajapinnalla. Kuvassa surfaktantit järjestäytyvät miselleiksi vesiliuoksessa ja hiilinanoputkien pinnalle. Tämänkaltainen molekyylijärjestäytyminen mahdollistaa muuten veteenliukenemattomien voimakkaasti hydrofobisten hiilinanoputkien liukenemisen. Käytös riippuu hienovaraisesti surfaktantin ja rajapinnan ominaisuuksista. 

Ryhmän tutkimus saa rahoituksensa Suomen Akatemialta, EU FP7-puiteohjelmasta ja Materiaalifysiikan kansallisesta tutkijakoulusta. Tietokoneresurssit laskennallisesti intensiiviseen tutkimustyöhömme tarjoaa CSC Tieteen tietotekniikan keskus, Suomi, sekä Yale University High Performance Computing Center, USA.

Ryhmässä on avoin diplomityöpaikka: http://chemistry.aalto.fi/en/research/physical/novelmaterials/jobs/

Ryhmän kotisivut http://chemistry.aalto.fi/en/research/physical/novelmaterials/

Lisätiedot: Akatemiatutkija Maria Sammalkorpi, Kemian laitos

Takaisin

Sivusta vastaa: viestinta-chem [at] aalto [dot] fi (Kemian tekniikan korkeakoulu) | Viimeksi päivitetty: 21.02.2014.