Учёные создали полимер который постепенно закручивается в спираль

Учёные обратились к природе как к источнику инженерных решений, и одной из самых узнаваемых структур в живых системах остаётся спираль. Именно спиральная организация лежит в основе молекулы ДНК, которая хранит генетическую информацию всех живых организмов, а также характерна для множества белков. Такая форма не случайна: она обеспечивает молекулам гибкость и способность адаптироваться, позволяя, например, белкам изменять свою конфигурацию для корректного сворачивания и выполнения биологических функций.

Группа исследователей из Университета Тиба, Университета Сидзуоки, Университета Киила (Великобритания), Университета Канадзавы и Университета Рицумэйкан разработала супрамолекулярный полимер на основе производного хлорофилла, который способен постепенно переходить от не спиральных волокон к чётко выраженным спиральным структурам. Работа была выполнена под руководством профессора Шики Ягаи из Института передовых академических исследований Университета Тиба совместно с Баларманом Ведханараяном, Рёма Цучидой, Синносукэ Каваи и Мартином Дж. Холламби.

Особенность созданной системы заключается в том, что спиральная структура не формируется мгновенно. Вместо этого материал проходит через несколько промежуточных стадий. Сначала образуются прямые, не закрученные волокна, затем появляются более рыхлые спирали, после чего структура постепенно уплотняется, переходя к более закрученным формам.

Учёные синтезировали производное хлорофилла, модифицированное барбитуровыми группами и длинными алкильными цепями. Эти молекулы самособираются в кольцевые структуры, называемые розетками, за счёт водородных связей. В малополярных растворителях такие розетки выстраиваются в длинные одномерные волокна. При этом крупная и сложная структура отдельных молекул мешает немедленному формированию стабильной конфигурации, из-за чего система сначала образует не спиральные волокна, которые затем постепенно реорганизуются.

С помощью атомно-силовой микроскопии исследователи выделили четыре типа волокон: не спиральную форму (NF), а также три спиральные структуры (HF1, HF2 и HF3). Все спирали оказались правозакрученными, но различались шагом: 26 нанометров у HF1, 13 нанометров у HF2 и 8 нанометров у HF3. Эти различия отражают постепенное «затягивание» спирали в процессе эволюции структуры.

Наблюдения показали, что переход между состояниями происходит поэтапно во времени. Уже в течение первых 30 минут большинство не спиральных волокон исчезает, уступая место структурам HF1 и HF2. В течение следующих часов HF1 практически полностью преобразуется в HF2, а финальная стадия перехода к наиболее плотной спирали HF3 занимает несколько суток.

Исследователи также установили, что процесс носит кооперативный характер: если небольшой участок волокна переходит в более устойчивую спиральную форму, это стимулирует аналогичные изменения в соседних участках, и трансформация распространяется вдоль всей цепи полимера.

Авторы работы отмечают, что такие результаты демонстрируют редкий тип поведения супрамолекулярных систем, в которых спиральность возникает и развивается через последовательные перестройки на фоне сложного энергетического ландшафта. Это открывает перспективы для создания материалов, способных контролируемо изменять свою структуру во времени, имитируя адаптивные свойства живых систем.

В дальнейшем исследователи планируют выяснить, происходит ли подобная трансформация хаотично вдоль волокна или распространяется направленно от определённых точек зарождения, что поможет глубже понять принципы самосборки и адаптации в искусственных материалах.