Bundlemere (nye polymerenheder) kunne transformere industrier

Fra dæk til tøj til shampoo, mange allestedsnærværende produkter fremstilles med polymerer, store kædelignende molekyler lavet af mindre underenheder, kaldet monomerer, bundet sammen. Nu, et team af forskere fra University of Delaware og University of Pennsylvania, med primær støtte fra U.S. Department of Energy Biomolecular Materials Program, har skabt en ny grundlæggende enhed af polymerer, der kunne indlede en ny æra med opdagelse af materialer.

Forskerne designede og skabte stive, selvsamling, tilpassede polymerkæder ved at forbinde nye byggesten kaldet bundlemere - et begreb, der blev opfundet på UD. De beskrev for nylig deres arbejde i journalen Natur .

For at oprette bundlemere, holdet samler fire individuelle peptider, selv korte kæder af aminosyrer, i nanoskopiske cylindre. Bundlemer -cylindrene er derefter forbundet, sammen ende-til-ende gennem en yderst effektiv og kontrolleret serie af kemiske reaktioner kendt som 'klik' kemi. De resulterende polymerkæder er stive, stavlignende molekyler, der er baseret på biologi, men alligevel ikke findes i naturen. Bundlemer -kæder kan derefter modificeres med komponenter såsom syntetiske polymerer eller uorganiske nanopartikler for at skabe nye hybrid -nanomaterialer.

"Der er en grundlæggende forudsætning i materialer, at hvis du kan styre funktion og struktur, så kan du i det væsentlige bygge alt, "sagde Chris Kloxin, studieforfatter og adjunkt i materialevidenskab og teknik og kemisk og biomolekylær teknik ved UD. "Vi har en meget veldefineret strukturel enhed, denne bundter, hvorpå vi har mulighed for at tilføje kemisk funktionalitet overalt. "

På grund af deres stivhed og tilpasning, bundlemere kunne bruges til at designe nye materialer med en bred vifte af applikationer, fra højtydende fibre til engangsplast til biologisk, medicin, der anvender biologiske komponenter i stedet for traditionelle kemikalier. Biofarmaceutisk forskning og udvikling er et voksende ekspertiseområde ved University of Delaware, hjemsted for National Institute of Innovation in Biopharmaceutical Manufacturing (NIIMBL).

Bundlemers stivhed kan også gøre disse materialer nyttige som erstatninger for berømt stærke materialer, såsom stål i broer, silken i faldskærme eller Kevlar i skudsikre veste.

Næsten hver dag, medforfatter Darrin Pochan, formand for Institut for Materialevidenskab og Teknik ved UD, og Kloxin kommer med en ny applikation at forfølge - nok til at holde dem og deres elever travlt i årevis.

"Vores idé er, at disse bundlere virkelig er byggesten i enhver forstand af ordet, "sagde Pochan." Vi kommer til at bygge mange, mange materialer og teknologier ud af disse byggesten. "

Teamet har allerede ansøgt om ét patent og planlægger at indgive mere.

Bundlernes oprindelse

Pochan og medforfatter Jeffery Saven, professor i kemi ved University of Pennsylvania, har samarbejdet siden 2012, da de modtog et National Science Foundation DMREF -tilskud til at studere designermaterialer. Kristi Kiick, Blå og guld fornem professor i materialevidenskab og teknik, var også en samarbejdspartner om det projekt.

Savens beregningskemiske gruppe designer og modellerer specifikke peptidsekvenser for at identificere lovende kandidater til syntese og karakterisering. "Vores gruppe er involveret i at designe og identificere, hvad de skal lave, derefter modellering af disse systemer for at forsøge at forstå deres stabilitet, "Saven sagde om sin gruppes rolle i samarbejdet.

Saven samarbejder om nye molekyledesign med Pochan og nu Kloxin, der sluttede sig til samarbejdet senere, hvor de diskuterer fordele og ulemper ved forskellige peptidsekvenser og hvordan man bedst skaber et nyt materiale med en bestemt egenskab.

Derefter, ved UD, Pochan og Kloxin fremstiller materialerne.

"Det er godt at have feedback på vigtige funktioner, der skal medtages i beregningerne, "sagde Saven om vigtigheden af ​​iterative diskussioner mellem grupper på UD og Penn.

Pochan sagde:"Vi beregner beregningsmæssigt og skaber derefter eksperimentelt molekylerne til at udføre samlingen i bundlemer -byggestenene, "sagde Pochan." Vi er ikke begrænset til naturens værktøjskasse. "

Stadig, trods omhyggelig planlægning, de første eksperimentelle resultater overraskede Pochan og Kloxin - på en god måde. Da de først så målinger af bundlemerkædenes stivhed, de antog, at der var noget galt. Normalt er polymerkæder løse og fleksible som spaghetti, men polymerer skabt af bundlemere ligner mere lange, tynd, robuste stænger.

"Stivheden var ganske overraskende og fantastisk, "sagde Pochan. Det var ikke en fejl. Yderligere test viste, at bundlemere har en meget højere stivhed i vægt end næsten alle andre polymerer, såsom syntetiske polymerer og DNA.

Efter at have syntetiseret bundlere, forskergruppen karakteriserede materialerne ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi og kryogen transmissionselektronmikroskopi i Keck Center for avanceret mikroskopi og mikroanalyse. De bekræftede også bundlemernes størrelse og struktur gennem småvinklede neutronspredningsforsøg på NIST Center for Neutron Research, som har en samarbejdsaftale med University of Delaware for Center for Neutron Science.

Jeff Caplan, konfokal mikroskopi -ekspert og direktør for BioImaging ved Delaware Biotechnology Institute, udført Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM) Imaging for at visualisere bittesmå segmenter inden for bundlemerne. Caplan er medforfatter på Natur papir.

Dette projekt ville ikke have været muligt uden hovedforskernes supplerende ekspertise. Saven udmærker sig i beregninger og teori. Kloxin udmærker sig i polymerkemi. Pochan udmærker sig i materialesyntese og karakterisering.

"Vi har masser af overlapninger med vores ekspertise, men pointen er, at uden en af ​​os, intet af dette ville være sket, "sagde Pochan." Uden faciliteter, såsom UD's Keck Microscopy Lab, BioImaging Center ved Delaware Biotechnology Institute, og vores forhold til NIST og Center for Neutron Research, denne form for arbejde ville ikke ske. "

Samlernes fremtid

Næste, teamet sigter mod at gøre bundlere mere tilgængelige, lettere at syntetisere, og skalerbar.

Forskere rundt om i verden kunne bruge bundlere til at løse en lang række store udfordringer inden for teknik. "Dette er værktøjer, som alle kan bruge, om du er kemiker, ingeniør, eller fysiker, "sagde Pochan." Det er endda svært at tænke på et tilsvarende materiale eller eksperimentelt værktøj, folk bruger i vid udstrækning. Det er som en værktøjskasse til enhver at designe fremtidige ting. "