Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Supramolekylære materialer med en tidskontakt

Forskere ved det tekniske universitet München (TUM) har nu med succes udviklet supramolekylære materialer, der går i opløsning på et forudbestemt tidspunkt. Som et eksempel danner disse Fmoc-tripeptider midlertidige geler, som kunne holde noget på plads og automatisk desintegreres, efter at de ikke længere er nødvendige. Kredit:Benedikt Rieß / TUM

Materialer, der samler sig selv og derefter simpelthen forsvinder i slutningen af ​​deres levetid, er ret almindelige i naturen. Forskere ved det tekniske universitet i München (TUM) har nu med succes udviklet supramolekylære materialer, der går i opløsning på et forudbestemt tidspunkt - en funktion, der kunne bruges i adskillige applikationer.

Plastik flasker, tomme dåser, gammelt legetøj, iturevne T-shirts og slidte mobiltelefoner - dag for dag, menneskeheden producerer millioner af tons affald. Hvordan kan vi forhindre vores planet i at kvæle i skraldet?

Til denne dag, genbrug er den foretrukne metode. Men det er dyrt:"Indtil videre de fleste menneskeskabte stoffer er kemisk meget stabile:for at nedbryde dem tilbage til deres komponenter, man skal bruge en masse energi, " forklarer Job Boekhoven, professor i supramolekylær kemi ved TUM. Inspireret af biologiske processer går kemikeren en anden vej.

"Naturen producerer ikke skraldepladser. I stedet biologiske celler syntetiserer konstant nye molekyler fra genbrugte. Nogle af disse molekyler samles i større strukturer, såkaldte supramolekylære samlinger, der danner cellens strukturelle komponenter. Dette dynamiske ensemble inspirerede os til at udvikle materialer, der kasserer sig selv, når de ikke længere er nødvendige. "

Naturen som model

En af de vigtigste forskelle mellem menneskeskabte stoffer og de fleste levende biologiske materialer er deres energistyring:menneskeskabte materialer er i ligevægt med deres miljø. Det betyder, at de ikke udveksler molekyler og energi, forbliver således, som de er.

Forskere ved det tekniske universitet i München (TUM) har med succes udviklet supramolekylære materialer, der går i opløsning på et forudbestemt tidspunkt. Videoen viser en selvslettende blæk. En given mængde 'brændstof' afgør, hvor længe TUM-logoet er synligt. Efter at brændstoffet er forbrugt, logoet forsvinder. Tankning får logoet til at dukke op igen. Kredit:Boekhoven Lab / TUM

Naturen arbejder efter et andet princip:Levende biologiske materialer, som hud og knogler, men også celler, ikke er i ligevægt med deres miljø. En konstant tilførsel af energi og byggesten er nødvendig for deres konstruktion, vedligeholdelse og reparation.

"Et typisk eksempel på en energikilde er adenosintrifosfat, ATP for kort, " forklarer Boekhoven. "Så længe der er nok energi tilgængelig, beskadigede komponenter og hele celler kan nedbrydes og erstattes af nye, ellers dør organismen og opløses i dens grundlæggende byggesten."

I sidste ende er der bare molekylært støv

De nye materialer, som Boekhoven udforskede med et tværfagligt team af kemikere, fysikere, og ingeniører ved TU München er baseret på den naturlige model:de molekylære byggesten er oprindeligt frit mobile, men hvis energi tilføres i form af højenergimolekyler, dannes supramolekylære strukturer.

Disse opløses selvstændigt, når energien er opbrugt. Dermed, levetiden kan foruddefineres af mængden af ​​tilsat "brændstof". I laboratoriet, materialerne kan indstilles til autonomt at nedbrydes efter flere minutter til flere timer. I øvrigt, efter en cyklus, det nedbrudte materiale kan genbruges ved blot at tilføje endnu en batch højenergimolekyler.

Forskere ved det tekniske universitet i München (TUM) har med succes udviklet supramolekylære materialer, der går i opløsning på et forudbestemt tidspunkt. Med peptidsynthesizeren producerer Dr. Marta Tena-Solsona byggestenene til de geler, hun undersøger. Kredit:Uli Benz / TUM

Fra laboratorium til praksis

Forskerne designet forskellige anhydrider, som samles til kolloider, supramolekylære hydrogeler eller blæk. I disse materialer omdanner et kemisk reaktionsnetværk dicarboxylater til metastabile anhydrider drevet af det irreversible forbrug af carbodiimid som "brændstof". På grund af deres metastabile karakter, anhydriderne hydrolyserer til deres oprindelige dicarboxylater med halveringstider i området fra sekunder til adskillige minutter.

Fordi molekylerne danner meget forskellige strukturer afhængigt af deres kemiske sammensætning, talrige anvendelsesmuligheder opstår. sfæriske kolloider, for eksempel, kan fyldes med vanduopløselige molekyler - disse kunne bruges til at transportere lægemidler mod kræft direkte til tumorcellen. Ved slutningen af ​​deres mission, kolloiderne opløses selvstændigt, og derved frigive stofferne lokalt.

Andre byggeklodser samles til lange fibrøse strukturer, der omdanner væsker til geler og kan bruges til at stabilisere nytransplanteret væv i en foruddefineret tid, hvorefter kroppen ville overtage denne funktion. Og, blæk med præcist defineret holdbarhed kunne fremstilles af molekyler, der samles til stjerneformede samlinger.

Vil det være muligt at bygge supramolekylære maskiner eller mobiltelefoner, der simpelthen forsvinder, når de ikke længere er nødvendige? "Dette er måske ikke helt umuligt, " understreger Boekhoven, "men der er stadig lang vej igen. Lige nu arbejder vi på det grundlæggende."


Varme artikler