Biomimetisk strategi fører til stærke, genanvendeligt gummi

Inspireret af naturen, Kinesiske videnskabsmænd har fremstillet en syntetisk analog til vulkaniseret naturgummi. Deres materiale er lige så hårdt og holdbart som originalen. I journalen Angewandte Chemie , de afslører hemmeligheden bag deres succes:korte proteinkæder knyttet til sidekæderne af polymerrygraden sikrer stabil fysisk tværbinding og giver materialet en "selvforstærkende" effekt under belastning. I modsætning til konventionelle gummier, det er meget nemmere at genbruge.

Naturgummi består af en række forskellige elastiske polymerer, der er forarbejdet til brug i dæk, bilindustrien, og råvarer som gummimadrasser. Selvom nogle syntetiske gummier, polyisoprenerne, har samme hovedkædestruktur som naturgummi, vulkaniserede naturgummi er stadig klart overlegne, fordi de er betydeligt stærkere og sejere. Årsagen til dette er en spontan "selvforstærkende" effekt, en reversibel afstivning af materialet under mekanisk belastning. Dette fænomen er kendt som stammekrystallisation. Det er kendt, at specielle polære komponenter - ikke-kovalent bundne proteiner og fosfolipider - i enderne af polymerkæderne spiller en rolle i denne høje grad af sejhed.

Funktionalisering af enderne af kæderne kunne være et middel til at forbedre de mekaniske egenskaber af syntetiske gummier, men egnede syntetiske metoder har været en mangelvare. Forskere ledet af Yun-Xiang Xu og Guangsu Huang ved Sichuan University i Chengdu, Kina, har nu fundet en teknik. Ved at bruge et allerede etableret katalytisk system baseret på sjældne jordarters elementer og specielle, stabiliserede prækursorer, de producerede med succes meget lange polymerkæder af isoprenenheder med en høj grad af cis-binding i rygraden og et stort antal sidekæder med polære hydroxylgrupper for enden. Ideen var at efterligne naturgummi ved at binde biomolekyler til disse hydroxylgrupper for at give fysisk tværbinding af polymerkæderne.

Inspireret af edderkoppesilkens høje stabilitet og styrke, forskerne valgte at bruge korte polymerkæder (oligopeptider) lavet af fire molekyler af aminosyren alanin. Det er kendt, at sådanne oligoalaniner danner harmonika-lignende β-arkstrukturer, der udgør de hårde komponenter i silke, giver den styrke og termisk stabilitet.

Fordi peptid- og polyisoprenkæder ikke er blandbare, peptidkæderne aggregerer fortrinsvis sammen. Denne virkning resulterer i den ønskede fysiske tværbinding af polyisoprenkæderne. Styrken og sejheden af ​​de nye syntetiske gummier øges meget uden at gå på kompromis med deres elasticitet. Ud over, materialet demonstrerer betydelig selvforstærkning gennem deformationskrystallisation. Dens egenskaber svarer godt til egenskaberne af vulkaniseret naturgummi.

Fordi konventionel vulkanisering ikke er nødvendig i denne proces, genanvendeligheden af ​​disse nye højtydende polyisoprengummi er væsentligt forbedret. På denne måde de store mængder dårligt genanvendeligt gummi, der dumpes på lossepladser eller brændes med høje omkostninger for miljøet, kan blive reduceret i fremtiden.