Polymerer springer gennem bøjler på vej til bæredygtige materialer

Genanvendelig plast, der indeholder ringformede polymerer, kan være en nøgle til udvikling af bæredygtige syntetiske materialer. På trods af nogle lovende fremskridt, forskere sagde, En fuld forståelse af, hvordan man bearbejder ringpolymerer til praktiske materialer, er stadig uhåndgribelig. I en ny undersøgelse, forskere identificerede en mekanisme kaldet "threading", der finder sted, når en polymer strækkes - en adfærd, der ikke har været vidne til før. Denne nye indsigt kan føre til nye forarbejdningsmetoder for bæredygtige polymermaterialer.

De fleste forbrugerplastik er blandinger af lineære polymerer. Konceptet med plast fremstillet udelukkende af ringpolymerer - molekyler, der danner en lukket ring - giver en lokkende mulighed for bæredygtighed, som vist af Autonomous Materials Systems-gruppen ved Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Når en enkelt binding, der holder ringpolymerer sammen, bryder, hele molekylet falder fra hinanden, fører til opløsning efter behov. Imidlertid, at forarbejde sådanne polymerer til praktiske materialer er fortsat en udfordring, sagde forskerne.

En 2013 University of Illinois-ledet undersøgelse viste, at ringpolymerer kunne brydes med varme, men dette har en pris - det resulterende plastik ville sandsynligvis blive ustabilt og begynde at nedbrydes for tidligt.

I den nye undersøgelse, U. of I.-forskere Charles Schroeder og Yuecheng (Peter) Zhou undersøger flowdynamikken i DNA-baserede ring- og lineære polymeropløsninger for at aflæse spor om, hvordan syntetiske polymerer interagerer under forarbejdning. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Vi mangler en grundlæggende forståelse af, hvordan ringpolymerer strækker sig og bevæger sig i flow, mens de navigerer rundt i andre nabopolymerkæder. Dette arbejde gjorde det muligt for os at undersøge disse spørgsmål på molekylært niveau, sagde Schrøder, en kemisk og biomolekylær ingeniørprofessor, Beckman Institute forsker og studie medforfatter.

I Schrøders laboratorium, forskerne strækker og klemmer polymerer, får dem til at flyde og tillader direkte observation af individuelle molekylers adfærd ved hjælp af enkeltmolekyle fluorescensmikroskopi.

"Der er et udsving i formen af ​​ringpolymererne, og dette afhænger af koncentrationen af ​​lineære polymerer i opløsningen, " sagde Zhou, en kandidatstuderende, Beckman Institute-forsker og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vi ser ikke denne adfærd i rene opløsninger af ring- eller lineære polymerer, så det fortæller os, at der sker noget unikt i blandede løsninger."

Ved at bruge en kombination af direkte enkeltmolekyleobservationer og fysiske målinger, holdet konkluderede, at ændringerne i formen af ​​ringpolymererne opstår, fordi lineære molekyler trænger sig gennem ringmolekylerne, når de er stressede, hvilket får ringformen til at svinge under væskestrøm.

"Vi observerede denne adfærd, selv når der er en meget lav koncentration af lineære polymerer i blandingen, " sagde Zhou. "Dette tyder på, at det kun tager et meget lille niveau af forurening at forårsage dette fænomen."

Denne trådning af lineære polymerer gennem ringpolymerer under stress er noget, der var blevet teoretiseret før, ved hjælp af bulk-skala undersøgelser af de fysiske egenskaber, men nu er det blevet observeret på molekylær skala, sagde forskerne.

"Bulkstudier maskerer typisk vigtigheden af, hvad der foregår i mindre skala, " sagde Schrøder.

Hvordan disse observationer vil udmønte sig i yderligere udvikling af bæredygtig forbrugerplast er stadig uklart, sagde forskerne. Imidlertid, enhver indsigt i de grundlæggende molekylære egenskaber ved blandingspolymeropløsninger er et skridt i den rigtige retning.

"For at gøre ren ringpolymerplast til virkelighed, vi skal forstå både blandede og rene løsninger på et grundlæggende niveau, " sagde Schroeder. "Når vi kan finde ud af, hvordan de fungerer, så kan vi gå videre til at syntetisere dem og i sidste ende hvordan man bruger dem i bæredygtig forbrugerplastik."