Neutroner gør strukturelle ændringer i molekylære børster synlige

De ligner mikroskopiske flaskebørster:Polymerer med en rygrad og totter af sidearme. Dette molekylære design giver dem usædvanlige evner:F.eks. de kan binde aktive stoffer og frigive dem igen, når temperaturen ændrer sig. Ved hjælp af neutroner, et forskerhold fra det tekniske universitet i München (TUM) er nu lykkedes med at løfte sløret for ændringerne i den interne struktur i løbet af processen.

"Strukturen af ​​flaskebørstepolymererne, som kun er nanometer store, kan ikke undersøges ved hjælp af klassiske optiske metoder:Det kan ses, at en vandig opløsning indeholdende disse polymerer bliver grumset ved en bestemt temperatur. Men hvorfor er det sådan, og hvordan rygraden og sidearmene strækker sig ud i vandet eller trækker sig sammen, er endnu ikke afklaret, " rapporterer professor Christine Papadakis.

Der er en simpel grund til, at forskere gerne vil vide mere om det indre liv af flaskebørstepolymerer:De luftige molekyler, som består af forskellige polymerkæder og pludselig ændrer deres opløselighed i vand ved en bestemt temperatur, er lovende kandidater til en række applikationer.

For eksempel, de kunne bruges som katalysatorer til at fremskynde kemiske reaktioner, som molekylære kontakter til at åbne eller lukke små ventiler, eller som transportmedier til medicinske lægemidler - molekylebørsterne kunne således bringe lægemidler til et center for inflammation og, fordi temperaturen er forhøjet der, frigive dem direkte på handlingsstedet.

Imidlertid, den grundlæggende forudsætning for at bruge børstemolekylerne er, at deres adfærd kan programmeres:Teoretisk, kemikere kan bruge en kombination af vandopløselige og vanduopløselige byggesten til at bestemme præcist, ved hvilken temperatur polymererne klumper sig sammen, og væsken, som de netop er opløst i, bliver uklar. "I praksis, imidlertid, du skal vide præcis hvordan og under hvilke forhold polymerernes struktur ændres, hvis du vil designe smarte børstemolekyler, " forklarer Papadakis.

Neutroner afslører deres molekylære indre liv

Sammen med sit team i Soft Matter Physics Group på Münchens Tekniske Universitet, hun har nu for første gang kunnet visualisere de ændringer, som flaskebørstepolymerer med arme lavet af to forskellige typer byggesten gennemgår, når temperaturen når uklarhedspunktet.

Forskerne brugte neutronstråling fra forskningsneutronkilden Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) på campus Garching i et specielt instrument til neutronspredning i små vinkler, som drives af Forschungszentrum Jülich

Denne metode er særligt velegnet til undersøgelsen, fordi neutroner er elektrisk neutrale og derfor let trænger ind i stof. Der er de spredt af atomkernerne, hvilket resulterer i detaljerede oplysninger om børstemolekylerne. I kombination med moderne kryoelektronmikroskopi, en detaljeret forståelse af disse molekyler kunne opnås.

Når børster klumper sig sammen

De termoresponsive børstemolekyler studeret af Papadakis' team blev syntetiseret af kemikere fra National Hellenic Research Foundation i Grækenland og Technische Universität Dresden, henholdsvis.

I det første trin, prøverne blev opløst i vand, derefter gradvist opvarmet til uklarhedspunktet og bestrålet med neutroner. En detektor overvågede den spredte stråling. Fra spredningssignalet, forskerne var i stand til at udlede de strukturelle ændringer.

Afhængigt af polymerernes struktur, vandmolekyler spaltede allerede inden uklarhedspunktet blev nået. Ved selve skypunktet, polymerernes molekylære struktur kollapsede. Tilbage var vanduopløselige polymerspoler, som dannede løse eller kompakte klynger afhængig af restvandindholdet.

"Resultaterne vil hjælpe med at udvikle flaskebørstepolymerer, der er egnede til praktisk brug, " fysikeren er overbevist. "Hvis du ved præcis, hvordan polymerer ændrer sig ved uklarhedspunktet, du kan optimere deres kemiske struktur til forskellige applikationer."