Materialen die zichzelf in elkaar zetten en aan het einde van hun levensduur gewoon verdwijnen, komen in de natuur vrij veel voor. Onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) hebben nu met succes supramoleculaire materialen ontwikkeld die op een vooraf bepaald tijdstip uiteenvallen - een functie die in tal van toepassingen kan worden gebruikt.

Plastic flessen, lege blikjes, oud speelgoed, gescheurde T-shirts en versleten mobiele telefoons - dag voor dag, de mensheid produceert miljoenen tonnen afval. Hoe kunnen we voorkomen dat onze planeet in het afval verstikt?

Tot op de dag van vandaag, recycling is de voorkeursmethode. Maar het is duur:"Tot nu toe, de meeste door de mens gemaakte stoffen zijn chemisch zeer stabiel:om ze weer af te breken in hun componenten, men moet veel energie besteden, " legt Job Boekhoven uit, hoogleraar Supramoleculaire Chemie aan de TUM. Geïnspireerd door biologische processen slaat de chemicus een andere weg in.

"De natuur produceert geen vuilnisbelten. In plaats daarvan, biologische cellen synthetiseren voortdurend nieuwe moleculen uit gerecyclede. Sommige van deze moleculen vormen samen grotere structuren, zogenaamde supramoleculaire assemblages die de structurele componenten van de cel vormen. Dit dynamische ensemble inspireerde ons om materialen te ontwikkelen die zichzelf weggooien als ze niet meer nodig zijn. "

De natuur als model

Een van de belangrijkste verschillen tussen door de mens gemaakte stoffen en de meeste levende biologische materialen is hun energiebeheer:door de mens gemaakte materialen zijn in evenwicht met hun omgeving. Dat betekent dat ze geen moleculen en energie uitwisselen, dus blijven zoals ze zijn.

De natuur werkt volgens een ander principe:levende biologische materialen, als huid en botten, maar ook cellen, niet in evenwicht zijn met hun omgeving. Een constante input van energie en bouwstenen is nodig voor hun constructie, onderhoud en reparatie.

"Een typisch voorbeeld van een energiebron is adenosinetrifosfaat, ATP in het kort, ", legt Boekhoven uit. "Zolang er voldoende energie beschikbaar is, beschadigde onderdelen en hele cellen kunnen worden afgebroken en vervangen door nieuwe, anders sterft het organisme en valt het uiteen in zijn fundamentele bouwstenen."

Uiteindelijk is er alleen maar moleculair stof

De nieuwe materialen die Boekhoven met een interdisciplinair team van chemici, natuurkundigen, en ingenieurs aan de TU München zijn gebaseerd op het natuurlijke model:de moleculaire bouwstenen zijn aanvankelijk vrij mobiel, maar als energie wordt toegevoegd in de vorm van hoogenergetische moleculen, supramoleculaire structuren ontstaan.

Deze desintegreren autonoom zodra de energie is uitgeput. Dus, de levensduur kan vooraf worden bepaald door de hoeveelheid "brandstof" die wordt toegevoegd. In het laboratorium, de materialen kunnen zo worden ingesteld dat ze na enkele minuten tot enkele uren autonoom worden afgebroken. Bovendien, een cyclus volgen, het afgebroken materiaal kan worden hergebruikt door simpelweg een nieuwe batch hoogenergetische moleculen toe te voegen.

Van laboratorium naar praktijk

De wetenschappers ontwierpen verschillende anhydriden die zich assembleren tot colloïden, supramoleculaire hydrogels of inkten. In deze materialen zet een chemisch reactienetwerk dicarboxylaten om in metastabiele anhydriden, aangedreven door het onomkeerbare verbruik van carbodiimide als "brandstof". Vanwege hun metastabiele karakter, de anhydriden hydrolyseren tot hun oorspronkelijke dicarboxylaten met halfwaardetijden in het bereik van seconden tot enkele minuten.

Omdat de moleculen zeer verschillende structuren vormen, afhankelijk van hun chemische samenstelling, tal van toepassingsmogelijkheden ontstaan. sferische colloïden, bijvoorbeeld, kunnen worden geladen met in water onoplosbare moleculen - deze kunnen worden gebruikt om geneesmiddelen tegen kanker rechtstreeks naar de tumorcel te transporteren. Aan het einde van hun missie, de colloïden zouden autonoom oplossen, waardoor de medicijnen lokaal vrijkomen.

Andere bouwstenen vormen samen lange vezelachtige structuren die vloeistoffen in gels omzetten en die kunnen worden gebruikt om vers getransplanteerd weefsel gedurende een vooraf bepaalde tijd te stabiliseren, waarna het lichaam deze functie zou overnemen. En, inkten met een nauwkeurig gedefinieerde duurzaamheid kunnen worden geproduceerd uit moleculen die samenkomen in stervormige assemblages.

Zal het mogelijk zijn om supramoleculaire machines of mobiele telefoons te bouwen die gewoon verdwijnen als ze niet meer nodig zijn? "Dit is misschien niet helemaal onmogelijk, " benadrukt Boekhoven, "maar er is nog een lange weg te gaan. Op dit moment werken we aan de basis."