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Inspiriert von biologischen Systemen versuchen Materialwissenschafter:innen seit langem, die Selbstorganisation zu nutzen, um Nanomaterialien herzustellen. Die Herausforderung: Der Prozess schien zufällig und schwer vorhersehbar. Nun haben Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und der Brandeis University geometrische Regeln entdeckt, die als Hauptsteuerung für selbstorganisierende Partikel fungieren. Die Ergebnisse wurden in Nature Physics veröffentlicht und könnten von Proteindesign bis hin zu synthetischen Nanomaschinen angewendet werden.
Das Leben ist Nanotechnologie. Physiker:innen sind fasziniert davon, wie die Biologie komplexe molekulare Maschinen und Strukturen aus Molekülen baut, die wie Magnete aneinanderhaften. Aber was steuert dieses grundlegende Phänomen in der Natur?
Eine mögliche Antwort haben nun der Doktorand Maximilian Hübl, Assistenzprofessor Carl Goodrich vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und die beiden Forscher Daichi Hayakawa und Thomas Videbaek aus der Gruppe von W. Benjamin Rogers an der Brandeis University, USA. Gemeinsam machten sie sich daran, den Code der molekularen Selbstorganisation zu knacken und ihn auf die Nanotechnologie anzuwenden.
„Forschende träumen seit Jahrzenten davon, die Kraft der molekularen Selbstorganisation zu nutzen, um maßgeschneiderte Nanomaterialien herzustellen“, erklärt Goodrich. „Eine große Herausforderung bestand jedoch darin, genau vorherzusagen, welche Formen entstehen, wenn Tausende winziger Teile in Bewegung gesetzt werden.“ Mit einem dualen Ansatz, der theoretische und experimentelle Methoden kombiniert, entwickelte und validierte das Team ein Werkzeug, das realisierbare Strukturen von solchen unterscheidet, die nicht assembliert werden können. Wie sich herausstellte, hängen die Ergebnisse der Selbstorganisation von der Geometrie ab.
Licht ins Dunkle
Selbstorganisierende Partikel sind für Goodrichs Forschungsinteressen nicht gerade neu. Allerdings war er erst überzeugt, sich direkt mit diesem Thema auseinanderzusetzen, nachdem er einen konkreten Ansatz dafür entwickelt hatte. Seine ursprüngliche Strategie umfasste numerische Berechnungen, darunter automatische Differentiation und differenzierbare Programmierung. Als Hübl der Goodrich Gruppe am ISTA beitrat, begann er, das Projekt mit demselben Ansatz zu untersuchen. Schnell fand er jedoch eine allgemeinere und effektivere Methode.
„Mit unserer ursprünglichen Strategie betrachteten wir das Problem, als ob wir uns in einem unbekannten Raum befänden, in völliger Dunkelheit, und mit einer Taschenlampe herumsuchten. Schließlich stellten wir fest, dass der Raum einen Lichtschalter hatte. Durch das Einschalten des Lichts konnten wir alle Möglichkeiten sehen, die die Selbstorganisation bieten kann, aber auch die Bereiche, die sie nicht erreichen kann.“ Es zeigt sich also, dass die Selbstorganisation keineswegs ein zufälliger Prozess in einem riesigen Ozean mathematischer Möglichkeiten ist. Durch die Suche nach dem richtigen Ansatz gelang es dem Team, die Grenzen zwischen realisierbaren und nicht realisierbaren Anordnungen der Selbstorganisation zu klären.
Das Regelwerk einer verborgenen geometrischen Form
Mit Hübls Methode fokussierte sich das Team darauf, die Konzentrationen und Bindungsenergien der sich zusammenfügenden Partikel zu optimieren. Letztendlich half ihnen dieser Ansatz dabei, zu bestimmen, welche Strukturen „gestaltbar“ sind.
„Wir haben die Bindungsenergien als Eingabe für die Berechnung verwendet. Als Ausgabe haben wir bestimmt, welche Strukturen von den Partikeln gebildet werden und in welchen Mengen“, erklärt Hübl. „Dadurch konnten wir Einschränkungen identifizieren, die verhindern, dass bestimmte Ergebnisse bei Partikeln jemals auftreten.“ Ein Beispiel für solche Einschränkungen ist, dass es schlichtweg unmöglich sein kann, eine bestimmte Struktur mit einer Ausbeute von 100 Prozent zu erzielen. In einem solchen Fall könnte eine zusätzliche Struktur entstehen, die das Team als „notwendige Chimäre“ bezeichnet – also ein Nebenprodukt, das unter diesen Bedingungen thermodynamisch unvermeidbar ist. Goodrich betont: „Unsere Methode könnte erklären, warum es besonders schwierig ist, bestimmte Nanomaterialien zu entwerfen.“
Aber welchen theoretischen Rahmen haben die Wissenschafter genau identifiziert? Zusammen bilden die berechneten thermodynamischen Einschränkungen eine verborgene mathematische Form, die den Bereich der möglichen Assemblierungs-Ergebnisse erfasst: ein „hochdimensionales konvexes Polyeder“. Diese geometrische Form würde als ‚theoretisches Regelwerk‘ der Selbstorganisation im Gleichgewicht dienen. Goodrich erklärt: „Die polyedrische Struktur zeigt, dass Assemblierungen im Gleichgewicht Regeln folgen, die als Werkzeuge für Nanotechnologie und Moleküldesign dienen könnten. Diese zugrunde liegende Physik sagt uns, ob eine bestimmte Zielstruktur überhaupt möglich ist.“
DNA-Origami
Um die praktische Anwendbarkeit dieser geometrischen Form, die die Selbstorganisation bestimmt, zu testen, haben sich die ISTA-Wissenschafter mit Forschern der Rogers Gruppe in Brandeis zusammengetan, die Techniken der biologischen Physik und der Physik weicher Materie einsetzen, um die Selbstorganisation zu verstehen. Sie entwarfen und bildeten dreieckige DNA-Origami-Bausteine und entwickelten Experimente, mit denen sie versuchten die Theorie zu validieren. Indem sie einzelsträngige DNA von den Seiten der Dreiecke aus verlängerten und deren Sequenzen anpassten, um bestimmte Wechselwirkungen zu programmieren, setzten sie eine Reihe theoretischer Bindungsregeln experimentell um. „Wir fanden eine bemerkenswerte quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment, was bestätigte, dass wir tatsächlich einige der grundlegenden Regeln der Anordnung aufgedeckt hatten“, erklärt Rogers.
Den Autoren zufolge sind die experimentellen Ergebnisse ein klarer Beweis für die praktische Anwendbarkeit der Theorie. „Im Wesentlichen haben wir unser geometrisches ‚Regelwerk‘ verwendet, um die experimentellen Ergebnisse vorherzusagen, ohne die Details der Wechselwirkungen zu modellieren. Die Experimente stimmten genau mit den vorhergesagten Ergebnissen überein, ohne dass wir irgendeinen Teil der Theorie überarbeiten oder irgendwelche Faktoren anpassen mussten“, fasst Hübl zusammen. Somit hat das ‚theoretische Regelwerk‘ neben der Identifizierung ‚gestaltbarer‘ Strukturen auch seinen praktischen Wert unter Beweis gestellt.
Der Spielplatz und Bauplan der Natur
Die zugrunde liegende Geometrie zieht also die Grenze zwischen dem, was gebaut werden kann, und dem, was unmöglich zu schaffen ist, und präsentiert so die Grenzen der Selbstorganisation. „Selbstorganisation ist diese großartige, verrückte Sache, die die Natur vollbringt. Aber die Theorie von Max erklärt nun, warum einige Versuche, dies nachzuahmen, nicht funktionieren und wie sie erfolgreicher gestaltet werden könnten. Es ist, als hätte man eine Blaupause, die die Grenzen des Spielplatzes der Natur abbildet. Letztendlich könnte dieses Modell als Werkzeug für Architekt:innen dienen, als eine Art Hauptbedienfeld für die Gestaltung von Nanostrukturen“, sagt Goodrich.
Nach Angaben des Teams werden die Anwendungen wahrscheinlich das inverse Design in einer Vielzahl von experimentellen Umgebungen umfassen. Dies sind beispielsweise die de novo-Proteinassemblierung aus kleineren Bausteinen, DNA-Nanopartikel und synthetische Nanomaschinen.
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Projektförderung:
Dieses Projekt wurde durch Mittel der Gesellschaft für Forschungsförderung Niederösterreich unter dem Projekt FTI23-G-011, des Brandeis University Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) unter der Fördernummer NSFDMR-2011846 und der Smith Family Foundation unterstützt.
Maximilian C. Hübl, Thomas E. Videbæk, Daichi Hayakawa, W. Benjamin Rogers, and Carl P. Goodrich. 2026. A polyhedral structure controls programmable self-assembly. Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-025-03120-3
https://www.nature.com/articles/s41567-025-03120-3
https://ista.ac.at/de/forschung/goodrich-gruppe/ Forschungsgruppe "Theoretische und computergestützte weiche Materie" am ISTA
https://www.brandeis.edu/physics/people/profiles/rogers-benjamin.html W. Benjamin Rogers, Brandeis University
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Biologie, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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