Von Kevlar inspirierte molekulare Nanofasern sind stärker als Stahl

Die Selbstorganisation von Molekülen ist in der Natur weit verbreitet und dient der Bildung organisierter Strukturen

jeder lebende Organismus.Dieses Phänomen lässt sich beispielsweise beobachten, wenn sich zwei DNA-Stränge – ohne äußeren Anstoß oder Richtung – zu einer Doppelhelix verbinden. Oder zum Beispiel, wenn eine große Anzahl von Molekülen zusammenkommt, um Membranen oder andere lebenswichtige Zellstrukturen zu bilden. 

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler und IngenieureFolgen Sie dem Beispiel der Natur und schaffen Sie Moleküle, die sich beispielsweise im Wasser von selbst zusammensetzen. Ziel ist die Schaffung von Nanostrukturen, vor allem im biomedizinischen Bereich.

Ein Team von Wissenschaftlern aus MassachusettsDas Institute of Technology (MIT) hat eine neue Klasse kleiner Moleküle entwickelt, die sich spontan zu Nanobändern mit beispielloser Festigkeit zusammenfügen und dabei ihre Struktur außerhalb von Wasser beibehalten.

Normalerweise werden Selbstorganisationsstrukturen von modellierteine Probe der Zellmembran. Ihr äußerer Teil ist hydrophil, während der innere Teil hydrophob ist. Die Konfiguration basiert auf radikal unterschiedlichen Prozessen und liefert die treibende Kraft für die Selbstorganisation. Außerhalb des Wassers löst sich eine solche Struktur jedoch auf.

Neues Design eines Moleküls, erstellt am Massachusetts Institute of TechnologyInstitute of Technology besteht aus drei Hauptkomponenten: einem äußeren hydrophilen Teil, der die Interaktion mit Wasser „liebt“, Aramiden in der Mitte zur Bindung und einem inneren hydrophoben Teil mit seiner „Abneigung“ gegenüber Wasser. Laut Wissenschaftlern ist es von der Struktur von Kevlar inspiriert. Aramide in der Struktur sorgen für chemische Stabilität und Festigkeit.

Die Forscher testeten Dutzende MoleküleEs gelang ihnen, diese Kriterien zu erfüllen, bevor sie ein Design fanden, das zur Herstellung langer Bänder mit Dicken im Nanometerbereich führte. Anschließend haben die Autoren ihre Festigkeit und Steifigkeit gemessen, um die Wirkung der Kevlar-Wechselwirkungen zwischen den Molekülen zu verstehen. Sie fanden heraus, dass diese Nanofasern unerwartet stark waren – sogar stärker als Stahl.

Diese Entdeckung veranlasste die Autoren zu der Frage, ob dies möglich seiob Nanobänder miteinander verbunden werden sollen, um stabile makroskopische Materialien zu erhalten. Die geglätteten Fasern wurden zu langen Fäden gezogen, die getrocknet und verarbeitet werden konnten. Es stellte sich heraus, dass sie ein Gewicht tragen können, das 200-mal größer ist als ihr eigenes. 

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Aramid ist eine lange synthetische KettePolyamid, bei dem mindestens 85% der Amidbindungen direkt an zwei aromatische Ringe gebunden sind. Die Eigenschaften von Aramidfasern werden sowohl durch die chemische als auch durch die physikalische Mikrostruktur bestimmt.

Kevlar ist eine Para-Aramid-Faser, hergestellt vonvon DuPont. Kevlar ist sehr langlebig. Zum ersten Mal wurde Kevlar 1964 von der Gruppe von Stephanie Kwolek, einer amerikanischen Chemikerin und Mitarbeiterin von DuPont, bezogen, die Produktionstechnologie wurde 1965 entwickelt und die industrielle Produktion begann in den frühen 1970er Jahren.