Biomimetic Designs by Supramolecular Constructs

Biologiset materiaalit tyypillisesti koostuvat funktionaalisuuden mahdollistavista hierarkisista rakenteista, jotka ovat muodostuneet supramolekulaarisesti itsejärjestyneistä molekyyleistä. Esimerkiksi hämähäkinseitti, helmiäinen ja luu koostuvat heikoista lähtöaineista, mutta silti niiden mekaaniset ominaisuudet ovat poikkeuksellisen hyviä. Niiden mekaaniset ominaisuudet selittyvät nanorakenteilla, joissa kovat ja pehmeät alueet ovat sitoutuneet toisiinsa sekä kovalenttisin sidoksin että heikoin vuorovaikutuksin. Vahvojen ja heikkojen sidosten yhdistelmä mahdollistaa, että osa sidoksista aukeaa muodonmuutoksissa ja muodostuu uudelleen muodonmuutoksen päätyttyä. Tämä, yhdistettynä hierarkiseen rakenteeseen mahdollistaa materiaaliin kohdistuvien voimien jakautumisen materiaalia vahvistaviin osiin. Tämän väitöskirjan johdannossa esitellään biomimeettisten materiaalien teoriaa, kuten supramolekulaarista kemiaa, itsejärjestymistä, biologisissa materiaaleissa esiintyviä hierarkisia rakenteita ja venytettäessä deformoituvia "uhrisidoksia". Seuraavissa kappaleissa käydään läpi neljän julkaistun artikkelin oleelliset tulokset. Julkaisut I ja II kuvaavat epäsymmetrisiin amfifiilisiin muokattuihin sappihappoihin liitettyjen supramolekulaaristen ryhmien vaikutusta itsejärjestymiseen. Tulokset voivat auttaa valmistamaan hierarkisia rakenteita itsejärjestymisen kautta molekyylitasolta makroskooppiselle tasolle hallitusti aktivoituvien vuorovaikutusten avulla. Julkaisussa III rakennettiin nanokomposiitti muokatuista hiilinanoputkista ja polymeerimatriisista. Hiilinanoputkien ja matriisin välinen adheesio varmistettiin supramolekulaarisin vuorovaikutuksin. Hierarkisen rakenteen ja supramolekulaaristen vahvistusten ansiosta saavutettiin sitkeä materiaali. Julkaisussa IV tutkittiin molemmista päistä supramolekulaarisilla ryhmillä muokatun, hyvinmääritellyn oligosakkaridin muodostamia rakenteita. Havainnot viittaavat kolumnaarisiin nestekiteisiin vetysidoksen luovuttajana toimivassa liuottimessa. Liuottimen haihtumisen yhteydessä rakenne lukittui supramolekulaarisen dimerisaation myötä, mikä mahdollisti supramolekulaaristen polymeerien kuiduttamisen. Työ avaa mahdollisuuksia silkinkaltaisten materiaalien prosessointiin liuoksesta kuiduksi. Yhteenvetona tämä väitöskirja esittelee mahdollisuuksia supramolekulaaristen vuorovaikutusten hyödyntämiseksi biomimeettisten funktionaalisten materiaalien valmistamiseksi.