Nye supramolekylære copolymerer drevet af selvsortering af molekyler

Forskere i Japan er lykkedes med at skabe en ny type helicoid supramolekylær polymer. Processen og mekanismen for genereringen af ​​dens struktur blev observeret ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM); den helicoide struktur voksede spontant efter at to forskellige monomerer var blandet. Resultaterne af undersøgelsen, som blev offentliggjort i Naturkommunikation den 1 april, 2020 kan føre til design af originale bløde materialer.

I de seneste år, forskere har været opmærksomme på supramolekylære polymerer dannet gennem ikke-kovalente bindinger med det formål at udvikle smarte bløde materialer. Shiki Yagai, en professor ved Chiba University siger, "Supramolekylære polymerer har forskellige funktioner. De har selvreparerende evne og nedbrydes let, så gennem præcist design af deres molekylære strukturer vil vi være i stand til at skabe materialer, der har højere miljøfølsomhed."

I mange år, Prof. Yagai og hans forskerhold har arbejdet på at designe supramolekylære polymerer, der har unikke egenskaber. Gode ​​eksempler på disse nye polymerer er selvfoldbare supramolekylære polymerer og kimære fibre, som kombinerer helixer og lineære kæder.

I denne forskning, holdet lykkedes med at skabe en supramolekylær polymer, hvis helicoide struktur strækker sig spontant. Forlængelsen startes ved at blande kun to molekyler, der adskiller sig i et iltatom. Ved at observere dens nedbrydningsproces, de opdagede, at den nye supramolekylære polymer har den unikke egenskab at ændre sin kemiske struktur som reaktion på temperaturen.

Når de blandede to naphthalenmolekyler, seksleddede hydrogenbundne supramolekylære komplekser (rosetter) bestående af monomerunderenheder dannede et amorft koaggregat (fig. 1-A). Imidlertid, når de efterlades ved stuetemperatur, integrerede rosetunderenheder, hvori to molekyler skiftevis er arrangeret, der gradvist dannes i blandingen, og dette udviklede sig spontant til en smuk spiralformet struktur (Fig.1-B). Holdet lykkedes med at kontrollere copolymerisationen ved hjælp af elektrostatisk interaktion mellem de to molekyler, og observerede dannelsen af ​​helicoiden ved hjælp af AFM. Spektralmålinger afslørede, at denne højere ordens strukturelle ændring skyldtes sammensætningen af ​​rosettenheder, der udgør polymeren. Homopolymerer, der kun består af elektronrige molekyler (røde molekyler i fig. 1) stabiliseres energisk ved at danne en stabil ringstruktur, og integrerede rosetter stabiliseres yderligere ved koaggregering. Bindinger mellem rosetterne styrkes af energetisk stabilisering, og de vokser til en spiralformet struktur i stedet for at stoppe ved ringe.

Ud over, et unikt termisk respons, hvor de helicoide supramolekylære copolymerer hurtigt kollapsede ved 45 ºC til 50 ºC, blev opdaget. Dette fænomen er helt forskelligt fra den termiske nedbrydningsadfærd af generelle supramolekylære polymerer, som gradvist går i opløsning fra terminalen eller defektstedet.

"Ved at bruge denne selvsorterende strukturelle ændring, det skal være muligt at skabe nye bløde materialer, der hurtigt reagerer på forskellige miljøer, " siger prof. Yagai.