Kemikere billede grundlæggende blokke af syntetiske polymerer

Syntetiske polymerer findes overalt i vores samfund – fra nylon- og polyestertøj til teflon-kogegrej og epoxylim. På molekylært niveau er disse polymerers molekyler lavet af lange kæder af monomer byggesten, hvis kompleksitet øger funktionaliteten i mange sådanne materialer.

Især copolymerer, som består af forskellige typer monomerer i samme kæde, giver mulighed for finjustering af materialets egenskaber, sagde Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi i College of Arts and Sciences (A&S). Monomersekvensen spiller en afgørende rolle for et materiales egenskaber, men videnskabsmænd har indtil nu manglet en metode til sekventering af syntetiske copolymerer.

Chen og kolleger har udviklet CREATS (Coupled Reaction Approach Toward Super-resolution imaging), som giver dem mulighed for at afbilde polymerisationskatalysereaktioner ved enkeltmonomer opløsning og gennem fluorescerende signalering at differentiere monomerer fra hinanden. Begge er vigtige trin i at opdage den molekylære sammensætning af en syntetisk polymer.

De beskriver teknikken og de første opdagelser, de har gjort med den i "Optical Sequencing of Single Synthetic Polymers", udgivet i Nature Chemistry .

Co-lead forfattere er Rong Ye, Xiangcheng Sun og Xianwen Mao, alle tidligere postdoktorale forskere i Chen-gruppen. Medforfattere er tidligere Chen-gruppens postdoc-forskere Susil Baral og Chunming Liu, nuværende postdoc-forsker Felix Alfonso og Geoffrey Coates, professor ved Tisch University i kemi og kemisk biologi (A&S).

"Syntetiske polymerer er lavet af monomerenheder forbundet med hinanden som en perler," sagde Chen. I de simpleste polymerer er monomererne identiske, men mere komplekse egenskaber opstår, når polymerer indeholder monomerer af forskellig slags - kaldet copolymerer. Det præcise arrangement af monomererne i en copolymer spiller en vigtig rolle for dens egenskaber, såsom stivhed eller fleksibilitet.

Sekvens spiller også en rolle i egenskaberne af naturlige polymerer, sagde Chen. Et protein er for eksempel lavet af 20 aminosyremonomerer arrangeret i en meget specifik sekvens.

"I en naturlig polymer har naturen kontrol," sagde Chen. "I syntetiske polymerer laver mennesker arrangementerne, og kemikerne har generelt ikke den præcise kontrol."

Sekventering af copolymerer er så vanskeligt for en stor del på grund af heterogenitet i syntetiske polymerer, sagde Chen. Individuelle kæder er forskellige i længde, sammensætning og sekvens, hvilket kræver enkeltpolymer-sekventeringsmetoder, der kan opløse og identificere individuelle monomerer.

Nogle moderne metoder tillader videnskabsmænd at kontrollere arrangementet af monomerer i en kæde, sagde Chen, men kun for meget korte polymerer - 10 til 20 monomerer lange.

Ved hjælp af CREATS kan forskerne bestemme sekvensen af ​​en polymer, som den fremstilles, en monomer ad gangen, ved at afbilde og identificere hver enkelt monomer, når den tilsættes til polymeren. For at gøre monomererne synlige kobler CREATS polymerisationsreaktionen med en anden reaktion, der producerer fluorescerende signaler.

"Hver monomer, der kommer ind, afgiver et pust af lys," sagde Chen. "Lyset induceres af en laser, og lyspusten har en farve. I vores tilfælde er det enten grønt eller gult. Ved at se, om det er gult eller grønt, ser vi, hvilken monomer der går ind."

Laboratoriet er allerede udstyret til at måle egenskaber af syntetisk polymer. Nu hvor de kan bestemme sekvensen af ​​en individuel polymer, er et næste skridt at kombinere de to eksperimenter for at korrelere struktur og funktion, hvilket i sidste ende giver vejledende principper for polymerdesign for at opnå bestemte egenskaber.

"Hvis du ved, hvordan sekvens styrer ejendom, kan du virkelig tænke på at designe hvilken sekvens du vil for at opnå en bestemt egenskab," sagde Chen. "Denne viden kan formentlig hjælpe folk med at skræddersy deres materialer til en ønsket anvendelse."

Flere oplysninger: Rong Ye et al., Optisk sekventering af enkelte syntetiske polymerer, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01363-2

Journaloplysninger: Naturkemi

Leveret af Cornell University