Team opdager dobbelt helixstruktur i syntetisk makromolekyle

Forskere fra College of Science og College of Engineering har opdaget, at en højstyrke polymer kaldet "PBDT" har en sjælden dobbelt helixstruktur, åbne muligheder for brug i en række forskellige applikationer.

Denne opdagelse, for nylig udgivet i Naturkommunikation , kommer som en forlængelse af udviklingen af ​​en polymer ion-gel, som lover at overgå konventionelle brændbare flydende batterielektrolytter. Nu, udstyret med bevis for den dobbelte helixstruktur, potentialet for dette højtydende materiale strækker sig langt ud over batterier.

"Denne polymer har eksisteret i 30 år, og ingen havde fundet ud af, at det er en dobbelt helix, sagde lektor i kemi Lou Madsen. der ledede denne forskning. "Dobbeltspiraler i syntetiske systemer er i det væsentlige uhørt."

Madsen ledede et internationalt samarbejde, som omfattede Virginia Tech-professorerne Rui Qiao (mekanikteknik) og Robert Moore (kemi), samt Theo Dingemans ved University of North Carolina ved Chapel Hill og Bernd Ensing ved University of Amsterdam i Holland. Alle tre Virginia Tech-professorer er tilknyttet Macromolecules Innovation Institute.

Stivhed kunne hjælpe nye kompositter

Kompositter er tekniske materialer, der binder flere komponenter for at skabe et nyt sæt forbedrede egenskaber.

Dæk og moderne flykroppe er eksempler på kompositmaterialer. De kræver et kernemateriale, såsom gummi i eksemplet med dæk, skal blandes med andre materialer, såsom forstærkende fiberfyldstoffer, for ekstra styrke.

Madsen og hans team havde allerede i 2016 vist, at PBDT kunne blandes med flydende ioner for at skabe en solid batterielektrolyt.

"Før vi var sikre på denne dobbelte helix, vi opdagede, at PBDT kunne blandes med flydende ioner og lave denne elektrolyt, der har meget god ledningsevne og også er mekanisk stiv, " sagde Madsen. "Vi lavede noget med PBDT, men vi ville gerne vide, hvorfor det fungerer så godt. Vi havde beviser for, at det var en dobbelt helix, men vi havde ikke sat pris på de fleste af dens funktioner."

Dobbelt helix strukturer, såsom DNA, er velkendte i naturen, og de har høj bøjningsstivhed. DNA har en diameter på omkring 2,5 nanometer og er stiv op til omkring 50 nanometer i længden, hvor det begynder at bøje. Det skaber et "stivhedsforhold" på omkring 20 til 1, ligner en gulerodsstang.

Sammenlignet med, PBDT har et stivhedsforhold på 1, 000 til 1, hvilket gør det til et af de stiveste molekyler, der endnu er opdaget.

Polymerens suveræne stivhed betyder, at kun en brøkdel af den ville være nødvendig for at opnå sammenlignelig ydeevne med konventionelle forstærkende fyldstoffer. Desuden, processen til at skabe den er ekstremt billig og nem.

"Hvis du bruger konventionelle fyldstoffer i en komposit, du kan bruge 10 procent til at få de ejendomme, du ønsker, " sagde Madsen. "Men PBDT har denne lange stivhedslængde og en lille diameter. Det betyder, at du måske kun skal bruge 1 eller 2 procent for at få et materiale, der er stærkt forbedret."

Fra røntgen og DNA til beregningsmodellering

Tilbage i 2014, Madsen og hans ph.d. studerende Ying Wang havde troet, at polymeren var en dobbelt helix, men havde ikke solide beviser. De begyndte derefter røntgenundersøgelser af PBDT, svarende til de undersøgelser, som Rosalind Franklin udførte på DNA i begyndelsen af ​​1950'erne, der førte til opdagelsen af ​​DNA-dobbelthelixen. Helt sikkert, PBDT-røntgen svarede til Franklins DNA-røntgen. De brugte yderligere en teknik svarende til MR for at styrke deres beviser.

Madsen henvendte sig derefter til Ensing i Holland og derefter til Qiao hos Virginia Tech for at få hjælp til at forstå polymeren med beregningsmodeller.

Qiao sagde, at han oprindeligt ikke troede, at simuleringen engang ville fungere.

"En simulering af en selvsamling for at danne en dobbeltspiralformet struktur - jeg havde aldrig hørt om det, bortset fra at folk havde gjort det for DNA, " sagde Qiao. "Men for denne form for simulering, det er meget svært. Min elev prøvede alligevel og mirakuløst nok virkede det. Vi prøvede en masse forskellige forhold, forskellige måder at køre simuleringer på, men resultaterne var robuste, hvilket gav os en vis tillid til, at det er en rigtig dobbelt helix."

Bekræftelsen af ​​den dobbelte helixstruktur åbner muligheder for PBDTs potentielle anvendelse ud over batterielektrolytter, såsom lette rumfartsmaterialer.

"Anvendelsen af ​​dette vil virkelig være begrænset af vores fantasi, " sagde Qiao. "Nu har vi en ny slags lego-stykke. Efterhånden som flere mennesker hører om dette materiale, de vil finde på deres egen måde at bruge det på. Hvad kommer der egentlig ud af det, vi forestiller os måske ikke i dag."