Nye træk for polymerkædedynamik

En teknik, der gør det muligt for forskere at se bevægelsen af ​​individuelle molekyler i en polymer, er udviklet af KAUST:den udfordrer den nuværende tankegang om polymerfysik og kan føre til nye materialer, der kan skræddersys til specifikke opgaver.

Polymerer er en stor og forskelligartet familie af materialer lige fra hårde, stiv plast til fleksibel, strækbare geler. På det mikroskopiske niveau, polymerer består af langkædede molekyler, der er sammenfiltrede som en nanoskala plade med spaghetti. Egenskaberne af et polymermateriale stammer fra den måde, dets komponentpolymerkæder bevæger sig og interagerer med hinanden. Indtil nu, forskeres evne til fuldt ud at forstå polymeregenskaber blev hæmmet, fordi det var umuligt at observere individuelle polymerkædebevægelser.

Satoshi Habuchi og hans team har overvundet denne begrænsning ved hjælp af superopløsningsfluorescensmikroskopi. "Fluorescensbilleddannelse er en fremragende teknik til at fange realtidsadfærd af dynamiske systemer, " siger Maram Abadi, medlem af Habuchis team.

Til polymerundersøgelsen, Habuchi og hans team skabte en polymer med fluorescerende tags fastgjort på flere punkter langs kæden. Selvom den rumlige opløsning af konventionel fluorescensbilleddannelse er begrænset til 200-300 nanometer - utilstrækkelig til at spore polymerkædedynamik - tilbyder superopløsningsfluorescensbilleddannelse betydeligt skarpere 10-20 nanometer opløsning. Superopløsning opnås ved at fange 10, 000 separate fluorescensmikroskopibilleder inden for få sekunder, og derefter bruge en computer til at kombinere dem til at generere et enkelt superopløsningsbillede. Teknikken gav sine oprindelige opdagere Nobelprisen i kemi 2014.

Habuchi og hans team kombinerede denne teknik med en enkelt-molekyle sporingsalgoritme, de for nylig udviklede. "Det gav et stærkt værktøj til at undersøge indviklet polymerdynamik på enkeltmolekyleniveau, siger Abadi.

Værktøjet viste, at polymerdynamikken er mere kompleks end tidligere antaget. Polymerdynamik er blevet modelleret ved hjælp af reptationsteori, hvor hele polymerkæden anses for at bevæge sig som en enkelt enhed, ligner en slange, hvilket forklarer udtrykets afledning fra ordet krybdyr. Super-opløsning fluorescerende mikroskopi afslører, at polymeren faktisk gennemgår kædepositionsafhængig bevægelse, med mest bevægelse i kædeenderne og mindst bevægelse i midten.

Denne opdagelse viser, at teorien om polymerfysik skal revideres, siger Abadi. "Da materialers rheologiske egenskaber opstår mikroskopisk fra sammenfiltret polymerdynamik, en revision af reptationsteorien ville have en bred indvirkning, ikke kun på fundamental polymerfysik, men også på udviklingen af ​​en bred vifte af polymer nanomaterialer, " hun siger.

Holdet planlægger nu at anvende sin teknik på mere komplekse systemer, herunder polymergeler og netværk af biomolekyler i celler.