Onderzoeksproject P6/27 (Onderzoeksactie P6)
IAP-PAI fase VI netwerk, getiteld Functionele Supramoleculaire Systemen (FSS), vloeit voort uit fase V netwerk Supramoleculaire Chemie en Supramoleculaire Katalyse. De supramoleculaire chemie beschrijft chemische fenomenen op een niveau hoger dan van de individuele moleculen en bestudeert chemische “soorten” die interageren via niet-covalente intermoleculaire krachten. Het project wil nieuwe systemen ontwikkelen en krachten verstaan die drijfveer zijn tot bi- en tridimensionele organisatie. Het wil verder methoden en gereedschappen ontwikkelen om supramoleculaire structuren te onderzoeken, te activeren, te manipuleren, en hun specifieke eigenschappen te exploiteren. De nadruk ligt op geselecteerde nieuwe systemen, en veelbelovende domeinen waarin reeds gewerkt werd. Het vorige netwerk gebaseerd op een organische, polymeer-, inorganische en bio-benadering van supramoleculaire fenomenen werd hertekend om maximale netwerking en focus te verzekeren. Negen werkpakketten worden gedefinieerd, waarin een maximaal aantal partners met complementaire expertise en instrumentarium op niveau van vier onderscheiden platforms actief zijn. Alle partners hebben kernactiviteiten in het domein van het project.
Volgende FFS worden onderzocht:
1. Nanogestructureerde Systemen zoals zero-dimensionele metalen en halfgeleider “nanodots”, worden bestudeerd onder de vorm van geconjugeerde vloeibare kristallen en polymeren. Nanokooien worden gevormd door het inbrengen van bi-dimensionele organische lagen in inorganische kristallen.
2. (Hiërarchisch) Gestructureerde Nanoporeuze Materialen worden aangemaakt met supramoleculaire templaten en blok-co-polymeren of via “nano-casting”, variërend in porie-afmeting, -architectuur en -distributie, zoals mesoporeuze organogelen, nano-gestructureerde koolstofmaterialen, (multi-)poreuze oxides en metaal-organische roosters.
3. (Hybriede) Biomaterialen omvatten proteïnes met auto-fluorescerende en foto-schakelende eigenschappen, DNA-complexen met geïntercaleerde metaalverbindingen en biofilmen. Materiaal/systeemontwerp omvat de ontwikkeling van biomimetische oppervlakken en katalysatoren, zowel als oppervlakken met nano-patronen.
4. (Organische, Inorganische en Hybriede) Dunne Filmen worden onderzocht zoals geconjugeerde polymeren als actief element ingebed in halfgeleider-gebaseerde instrumenten, functionele polymeercoatings, moleculaire lagen aan opervlakken, en (bio)membranen.
De betreffende onderzoeksactiviteiten zijn gestructureerd als 9 werkpakketten (WP):
WP1, “Nanodots” en Fotonische Kristallen, gebruikt anorganische metaal of niet-metaal nanodeeltjes aangemaakt in gastroosters en bestudeerd met fluorescentietechnieken, als katalysator.
WP2, Organische Nanostructuren, gebruikt macro-moleculaire synthese-methodieken om multi-functionele co-polymeren en organische “nanodots” aan te maken. Organisatie op nanoschaal zal gevolgd worden met STED, NMR, scattering-technieken, reologie, etc.
WP3, Poreuze Roosters, bouwt hiërarchische inorganische en metaalorganische roosters. Adsorptieve en katalytische eigenschappen worden in kaart gebracht met ruimte- en tijdsgebaseerde hyperresolutie. De microschaal convergeert met de macro-schaal in kinetische modellen en “release” studies.
WP4, Hybriede Materialen, bereid nanogelen met intelligente respons in media zoals superkritische (sc) CO2, koolstof-nanobuisjes gericht en gefunctionalizeerd via templaat-gebruik of electro-spinning, polymeer/inorganische hybrieden zoals klei/polyester nano-composieten.
WP5, (Bio-)Membranen, bestudeert de dynamica van lipide bi-lagen en van bacteriële oppervlakken. Ze dienen als platform voor weefselengineering of als half-doorlaatbare barrières voor nanofiltratie.
WP6, Biomoleculen en Biokatalyse, visualiseert DNA conformaties en cellulaire compartimentalisatie met hyperresolutie met behulp van GFP’s, Ru-proben, etc. Enzymes, RNAs en biomimetische hybriede materialen worden gebruikt in de organische katalyse.
WP7, Functionele Deklagen, ontwerpt thermo- of pH-responsieve electro-coatings, katalytische gefluorineerde polymeer coatings compatibel met sc CO2, protëine afstotende synthetische coatings tegen biofilm-vorming.
WP8, Supramoleculaire Geconjugeerde Systemen, manipuleren optische en transporteigenschappen, gebruik makend van fase-gescheiden donor/acceptor systemen, blok-co-polymeren of discotische vloeibare kristallen met focus op organische chirale geleiders.
WP9, Zelf-Organisatie aan Oppervlakken, steunt op scanning-probe technieken zoals electro-chemische STM, om chirale, conformationeel flexibele monolagen met nanopatronen te bestuderen, stimuleren en manipuleren en ze te gebruiken als templaat voor de organisatie van 3D architecturen.
Samenwerking op 4 verschillende platformniveaus garandeert intensieve/gefocusseerde netwerking in de WP.
Platform 1: Theorie & Modellering.
Multischaal modellering gebeurt voor eenvoudige moleculen en bouwstenen en voor complexe systemen zoals polymeerketens, supramoleculaire associaties door niet-covalente interacties, moleculaire systemen ingebed in solvent of polymeermatrix, macromoleculen geabsorbeerd aan oppervlakken of in poriën, organische, inorganische, bio- of hybriede interfazen. Aard en intensiteit van intermoleculaire interacties op nanoschaal worden bepaald, spectroscopische gegevens en fotonische eigenschappen geïnterpreteerd, moleculaire dynamica in tijd en ruimte voor chemische en foto-fysische processen verstaan. Theoretische methoden worden geïmplementeerd variërend van geavanceerde kwantumchemische methodes tot ‘force-field’ gebaseerde moleculaire modelleringstechnieken.
Platform 2: Synthese & Fabricatie (moleculaire engineering).
2.1. Synthese van elementaire bouwelementen van verschillende aard (organisch/inorganisch), afmetingen (moleculen, oligomeren, copolymeren), vorm (sferisch, cylindrisch, sponsachtig, vesiculair), en reactiviteit gebeurt via gecontroleerde levende polymerisatie, sol-gel processen en fabricage van nano-particles.
2.2. Zelforganisatie en nanomanipulatiestrategieën van elementaire bouwstenen (0D, 1D, 2D verlopen via absorptie, grafting en manipulatie aan oppervlakken, dispersie en nano-structuur-vorming in inorganische of polymere matrices, om nieuw gedrag uit te lokken en specifieke eigenschappen te genereren in optische electronica, katalyse, bio-sensing en engineering van polymeren.
2.3. Ontwerp van biomimetische sites in enzymen en supramoleculaire systemen is gebaseerd op controle van sterische en polaire factoren die modificatie van actieve sites beheersen. “Ship-in-a-bottle”-synthese van complexen in poreuze materialen, moleculaire imprinting zijn geschikte methodieken. Hoge-doorvoer-methodes kopiëren genetische strategieën gevolgd bij natuurlijke evolutie.
2.4. Nano-patroon vorming in geadsorbeerde monolagen, en hun gebruik als templaat voor multilagen wordt onderzocht, met gebruik van bouwstenen zoals chirale geconjugeerde moleculen of geleidende polymeren.
Platform 3: Structuur & Functionaliteit
3.1. Interactie tussen en herkenning van bouwstenen zijn elementaire stappen in de supramoleculaire chemie. Chemische synthese en theoretische benaderingen worden gecombineerd om specifieke interacties te genereren.
3.2. Kinetiek van absorptie, diffusie, beweging van het chemisch adsorbaat aan modeloppervlakken wordt experimenteel bestudeerd en gemodelleerd en vergeleken met reële oppervlakken en poriën. De translatie en rotatie bewegingen van (segmenten van) polymeerketens wordt gevolgd via “single-molecule” spectroscopie. Fluorescerende probe-moleculen of gemerkte proteïnen laten toe beweging van enzymen en transport van substraten en producten van en naar individuele enzymen en door membranen te volgen. Diffusie en drift van geëxciteerde specimen en ladingsdragers wordt gevolgd door nanogestructureerde systemen zoals geconjugeerde polymeren en nanodots en tussen geconjugeerde polymeren en kleine moleculen, of 2 types kleine moleculen.
3.3. Na Chemische stimulatie antwoordt een supramoleculair systeem door veranderingen in zwakke bindingen, vormen van covalente bindingen en ontbinding van complexen. Er wordt onderzocht hoe supramoleculaire organisatie geconcerteerde of consecutieve activatie van bindingen beïnvloed via methodes die chemische activatie in brede domeinen beschrijven met ruimtelijke hyperresolutie.
3.4. Dynamica onder invloed van stimuli zoals T, E, pH, debiet, statisch magnetisch veld, hv of scheerkrachten liggen aan de basis van veranderingen in supramoleculaire organisatie. Om intelligente materialen met geheugeneffect of omkeerbare schakelcapaciteiten te ontwikkelen, worden reversibiliteit, hysteresis, tijdsconstanten en homogene ruimtelijke respons nagetrokken..
Platform 4: Instrumenten & Responsieve Systemen
Specifieke concepten worden ontwikkeld voor toepassingen als sensoren, optisch-electronische instrumenten, intelligente polymeren en systemen voor toedienen van geneesmiddelen
