At bygge en mindre, lettere fremtid:Forstå polymeradfærd under en nanometer

At vide, hvordan man bygger samlinger i nanostørrelse af polymerer (lange molekylære kæder) er nøglen til at forbedre en bred vifte af industrielle processer, fra produktion af nanofibre, filtre, og nye materialer til fremstilling af lavenergi, nanoskala kredsløb og enheder. Et nyligt blad i Naturkommunikation kaster lys over nøgleadfærd af polymerer i specielt konstruerede lukkede rum, åbne døren til et kontrolniveau, der tidligere har været umuligt.

Forskere i Japan ved Kyoto Universitet og Nagoya Universitet har haft held med at fremstille specialdesignede kanaler på subnanometerskala, eller porer, som kan manipuleres for at fange polymerer og give forskere mulighed for at observere, hvordan disse kæder reagerer på temperaturændringer. Tidligere var dette observationsniveau ikke muligt, og derfor var meget om polymeradfærd i subnanometerrum - især termiske overgange - ukendt.

Teknikken bruger specialdesignede stoffer kendt som porøse koordinationspolymerer (PCP'er), som er bemærkelsesværdige for den høje grad, hvortil deres porestørrelser og andre karakteristika kan kontrolleres.

"PCP'er giver os mulighed for at designe bure, hvor vi kan fange specifikke molekyler, " forklarer ledende videnskabsmand Dr. Takashi Uemura fra Kyoto University's Graduate School of Engineering. "I dette tilfælde, polyethylenglycol-molekyler - PEG'er - kan anbringes i burene på samme måde som den måde, hvorpå havål gemmer sig i huller. I åbent vand er der ingen orden i deres svømning. Men i cylindriske rør, de foretrækker at arrangere sig lineært i grupper. Polymerkæder gør dette også, bliver ordentligt samlet i PCP-kanalerne."

I dette tilfælde, PCP-kanalerne var præcist indstillet til at kontrollere deres størrelse og indre overfladekarakteristika, giver forskerholdet mulighed for direkte at observere, hvordan polymererne opførte sig. Dette førte til den uventede opdagelse, at overgangstemperaturen - i dette tilfælde, smeltepunkt - af indesluttede PEG'er faldt, efterhånden som deres molekylvægt - længde i dette tilfælde - steg.

"Dette var præcis det modsatte af, hvad vi havde observeret i bulk, det er, 'gratis' PEG, " uddyber Dr. Susumu Kitagawa, vicedirektør for Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS). "Vi mener, at dette er resultatet af destabilisering af PEG-kæderne under indespærring. Ustabiliteten øges sammen med kædelængden."

Forståelse af sådanne små detaljer om adfærden af ​​nanobegrænsede polymerer giver anledning til muligheden for fremtidige gennembrud i nanoskalafremstilling baseret på samlinger af et lille antal polymerkæder, som igen kan bruges til at fremstille en lang række nye materialer.