Lysstyrede polymerer kan skifte mellem robuste og bløde

MIT -forskere har designet et polymermateriale, der kan ændre dets struktur som reaktion på lys, konverteres fra et stift stof til et blødere stof, der kan hele sig selv, når det beskadiges.

"Du kan skifte materialetilstande frem og tilbage, og i hver af disse stater, materialet virker som om det var et helt andet materiale, selvom det er lavet af alle de samme komponenter, "siger Jeremiah Johnson, en lektor i kemi ved MIT, medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og Programmet i Polymers and Soft Matter, og lederen af ​​forskergruppen.

Materialet består af polymerer knyttet til et lysfølsomt molekyle, der kan bruges til at ændre bindingerne dannet i materialet. Sådanne materialer kan bruges til at belægge genstande såsom biler eller satellitter, give dem evnen til at helbrede efter at være blevet beskadiget, selvom sådanne applikationer stadig ligger langt ude i fremtiden, siger Johnson.

Bladets hovedforfatter, som fremgår af 18. juli -udgaven af Natur , er MIT -kandidatstuderende Yuwei Gu. Andre forfattere er MIT kandidatstuderende Eric Alt, MIT assisterende professor i kemi Adam Willard, og Heng Wang og Xiaopeng Li fra University of South Florida.

Kontrolleret struktur

Mange af egenskaberne ved polymerer, såsom deres stivhed og deres evne til at udvide sig, er styret af deres topologi - hvordan materialets komponenter er arrangeret. Som regel, når et materiale er dannet, dens topologi kan ikke ændres reversibelt. For eksempel, en gummikugle forbliver elastisk og kan ikke gøres skør uden at ændre dens kemiske sammensætning.

I denne avis, forskerne ønskede at skabe et materiale, der reversibelt kunne skifte mellem to forskellige topologiske tilstande, hvilket ikke er gjort før.

Johnson og hans kolleger indså, at en type materiale, de designede for et par år siden, kendt som polymer metal-organiske bure, eller polyMOC'er, var en lovende kandidat til denne tilgang. PolyMOC'er består af metalholdige, burlignende strukturer forbundet med fleksible polymerlinkere. Forskerne skabte disse materialer ved at blande polymerer knyttet til grupper kaldet ligander, som kan binde sig til et metalatom.

Hvert metalatom - i dette tilfælde, palladium - kan danne bindinger med fire ligandmolekyler, skabe stive burlignende klynger med varierende forhold mellem palladium og ligandmolekyler. Disse forhold bestemmer størrelsen af ​​burene.

I den nye undersøgelse, forskerne satte sig for at designe et materiale, der reversibelt kunne skifte mellem to bure af forskellig størrelse:et med 24 palladiumatomer og 48 ligander, og en med tre palladiumatomer og seks ligandmolekyler.

For at opnå det, de inkorporerede et lysfølsomt molekyle kaldet DTE i liganden. Størrelsen af ​​burene bestemmes af vinklen af ​​bindinger, som et nitrogenmolekyle på liganden danner med palladium. Når DTE udsættes for ultraviolet lys, det danner en ring i liganden, hvilket øger størrelsen af ​​den vinkel, hvor nitrogen kan binde til palladium. Dette får klyngerne til at bryde fra hinanden og danne større klynger.

Når forskerne skinner grønt lys på materialet, ringen er knækket, bindingsvinklen bliver mindre, og de mindre klynger dannes igen. Processen tager omkring fem timer at fuldføre, og forskerne fandt ud af, at de kunne udføre vendingen op til syv gange; med hver vending, en lille procentdel af polymererne skifter ikke tilbage, hvilket til sidst får materialet til at falde fra hinanden.

Når materialet er i lille klyngetilstand, det bliver op til 10 gange blødere og mere dynamisk. "De kan flyde, når de varmes op, hvilket betyder, at du kan skære dem, og ved mild opvarmning vil skaden heles, " siger Johnson.

Denne tilgang overvinder den afvejning, der normalt sker med selvhelbredende materialer, hvilket er, at de strukturelt har en tendens til at være relativt svage. I dette tilfælde, materialet kan skifte mellem det blødere, selvhelbredende tilstand og en mere rigid tilstand.

Selvhelbredende materialer

I denne avis, forskerne brugte polymeren polyethylenglycol (PEG) til at fremstille deres materiale, men de siger, at denne fremgangsmåde kunne bruges med enhver form for polymer. Potentielle anvendelser omfatter selvhelbredende materialer, selv om denne tilgang skal bruges i vid udstrækning, palladium, et sjældent og dyrt metal, sandsynligvis skulle erstattes af et billigere alternativ.

"Alt lavet af plastik eller gummi, hvis det kunne heles, når det blev beskadiget, så skulle den ikke smides ud. Måske ville denne tilgang give materialer længere levetid, "Siger Johnson.

En anden mulig anvendelse for disse materialer er levering af lægemidler. Johnson mener, at det kunne være muligt at indkapsle stoffer inde i de større bure, udsæt dem derefter for grønt lys for at få dem til at åbne op og frigive deres indhold. Anvendelse af grønt lys kan muliggøre genindfangning af stofferne, tilvejebringelse af en ny tilgang til reversibel lægemiddellevering.

Forskerne arbejder også på at skabe materialer, der reversibelt kan skifte fra en fast tilstand til en flydende tilstand, og på at bruge lys til at skabe mønstre af bløde og stive sektioner i det samme materiale.