Kommer rundt til stabil selvsamling

Nanostrukturer, der samler sig fra polymermolekyler, kan vise sig at være nyttige værktøjer inden for kemi og industri. Imidlertid, det er svært at udvikle strukturelt robuste selvsamlende materialer, fordi de ofte påvirkes negativt af deres omgivelser.

Mange naturlige organismer har udviklet sig for at beskytte sig selv i fjendtlige miljøer. For eksempel, typer af archaea - encellede mikroorganismer, der lever i varme kilder - har cykliske molekyler i deres cellemembraner, der danner skjold for at bevare cellen under ekstrem varme.

Inspireret af naturens brug af cykliske strukturer, Takuya Yamamoto og kolleger ved Institut for Organiske og Polymeriske Materialer, Tokyo Institute of Technology, har dramatisk forbedret både termisk og saltstabilitet af selvsamlende polymere strukturer, simpelthen ved at ændre formen på de grundlæggende polymerer fra lineær til cyklisk.

Teamet designede nye blokcopolymerer - strukturer omfattende flere polymerer forbundet med kovalent binding - som selvsamles til former kaldet miceller (figur 1). Miceller har en hydrofil (vandtrækkende) ydre membran, og en hydrofob (vandafvisende) kerne.

"Vi designede en cyklisk amfifil blokcopolymer ved at efterligne fedtmolekyler i cellemembranen i archaea, "forklarer Yamamoto." Både lineære og cykliske copolymerer blev derefter brugt til at skabe identiske selvsamlende blomsterformede miceller. "Teamet opdagede, at selvom den kemiske sammensætning, koncentration og dimensioner af miceller bygget af de to forskelligt formede blokcopolymerer forblev de samme, de cyklisk baserede miceller var i stand til at modstå højere temperaturer.

"Micellen fra cykliske blokcopolymerer modstår temperaturer op til 40 ° C højere end de lineært baserede miceller, "forklarer Yamamoto. Forskerne fandt ud af, at halen af ​​de lineære copolymerer var mere tilbøjelige til at bryde løs fra den blomstformede struktur under opvarmning, tillader brodannelse mellem miceller. Dette betød, at micellerne forenes i en agglomeratklat ved en relativt lav temperatur. Micellerne skabt af de cykliske copolymerer, på den anden side, havde ingen 'løse ender' til at danne broer, hvilket betyder, at strukturerne forblev stabile op til langt højere temperaturer.

De samme strukturelle forskelle giver mulighed for en større tolerance over for saltkoncentrationer i de cyklisk baserede miceller. De løse haler i lineært baserede miceller tillod hurtig dehydrering i stærkt saltvandsmiljøer, der henviser til, at de lukkede cykliske strukturer er strukturelt stærkere, gør dem mere modstandsdygtige over for salt.

"Kombinationen af ​​højere saltningskoncentrationer og termisk modstand betyder, at disse miceller har mange potentielle anvendelser, "forklarer Yamamoto." Mulighederne omfatter lægemiddelleveringssystemer, hvor opvarmning ikke er mulig, og salt giver en alternativ metode til at kontrollere, hvordan en micelle reagerer for at frigive et lægemiddel. "Teamet håber også, at deres miceller kunne danne grundlag for mange nye materialer inden for grøn kemi, fordi deres strukturelle robusthed udelukkende er baseret på deres form snarere end på komplekse kemiske reaktioner.