MIT-onderzoekers hebben een polymeermateriaal ontworpen dat zijn structuur kan veranderen als reactie op licht, omzetten van een stijve substantie naar een zachtere die zichzelf kan genezen als deze beschadigd is.

"Je kunt de materiële toestanden heen en weer schakelen, en in elk van die staten, het materiaal gedraagt ​​zich alsof het een heel ander materiaal is, ook al is het gemaakt van allemaal dezelfde componenten, " zegt Jeremia Johnson, een universitair hoofddocent scheikunde aan het MIT, een lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research en het programma in polymeren en zachte materie, en de leider van het onderzoeksteam.

Het materiaal bestaat uit polymeren die zijn bevestigd aan een lichtgevoelig molecuul dat kan worden gebruikt om de in het materiaal gevormde bindingen te veranderen. Dergelijke materialen kunnen worden gebruikt om objecten zoals auto's of satellieten te coaten, waardoor ze de mogelijkheid hebben om te genezen nadat ze zijn beschadigd, hoewel dergelijke toepassingen nog ver in de toekomst liggen, zegt Johnson.

De hoofdauteur van het artikel, die verschijnt in het nummer van 18 juli van Natuur , is MIT-afgestudeerde student Yuwei Gu. Andere auteurs zijn MIT-afgestudeerde student Eric Alt, MIT-assistent-professor scheikunde Adam Willard, en Heng Wang en Xiaopeng Li van de Universiteit van Zuid-Florida.

Gecontroleerde structuur

Veel van de eigenschappen van polymeren, zoals hun stijfheid en hun vermogen om uit te zetten, worden bestuurd door hun topologie - hoe de componenten van het materiaal zijn gerangschikt. Gebruikelijk, zodra een materiaal is gevormd, de topologie kan niet omkeerbaar worden gewijzigd. Bijvoorbeeld, een rubberen bal blijft elastisch en kan niet broos worden gemaakt zonder de chemische samenstelling te veranderen.

In deze krant, de onderzoekers wilden een materiaal maken dat omkeerbaar kon schakelen tussen twee verschillende topologische toestanden, wat nog niet eerder is gedaan.

Johnson en zijn collega's realiseerden zich dat een soort materiaal dat ze een paar jaar geleden ontwierpen, bekend als polymeer metaal-organische kooien, of polyMOC's, was een veelbelovende kandidaat voor deze aanpak. PolyMOC's bestaan ​​uit metaalhoudende, kooiachtige structuren met elkaar verbonden door flexibele polymere linkers. De onderzoekers hebben deze materialen gemaakt door polymeren te mengen die zijn gehecht aan groepen die liganden worden genoemd, die kan binden aan een metaalatoom.

Elk metaalatoom - in dit geval palladium - kan bindingen vormen met vier ligandmoleculen, het creëren van stijve kooi-achtige clusters met variërende verhoudingen van palladium tot ligand moleculen. Die verhoudingen bepalen de grootte van de kooien.

In de nieuwe studie de onderzoekers wilden een materiaal ontwerpen dat omkeerbaar zou kunnen schakelen tussen twee kooien van verschillende grootte:een met 24 atomen palladium en 48 liganden, en één met drie palladiumatomen en zes ligandmoleculen.

Om dat te bereiken, ze integreerden een lichtgevoelig molecuul genaamd DTE in het ligand. De grootte van de kooien wordt bepaald door de hoek van bindingen die een stikstofmolecuul op het ligand vormt met palladium. Wanneer DTE wordt blootgesteld aan ultraviolet licht, het vormt een ring in het ligand, waardoor de hoek waarin stikstof aan palladium kan binden groter wordt. Hierdoor breken de clusters uit elkaar en vormen grotere clusters.

Als de onderzoekers groen licht geven op het materiaal, de ring is gebroken, de bindingshoek wordt kleiner, en de kleinere clusters worden opnieuw gevormd. Het proces duurt ongeveer vijf uur om te voltooien, en de onderzoekers ontdekten dat ze de omkering tot zeven keer konden uitvoeren; bij elke omkering, een klein percentage van de polymeren schakelt niet terug, waardoor het materiaal uiteindelijk uit elkaar valt.

Wanneer het materiaal zich in de staat van kleine clusters bevindt, het wordt tot 10 keer zachter en dynamischer. "Ze kunnen vloeien als ze worden verwarmd, wat betekent dat je ze zou kunnen snijden en bij milde verwarming zal die schade genezen, ' zegt Johnson.

Deze benadering overwint de afweging die gewoonlijk optreedt bij zelfherstellende materialen, dat is dat ze structureel relatief zwak zijn. In dit geval, het materiaal kan wisselen tussen de zachtere, zelfgenezende staat en een meer rigide staat.

Zelfherstellende materialen

In deze krant, de onderzoekers gebruikten het polymeer polyethyleenglycol (PEG) om hun materiaal te maken, maar ze zeggen dat deze benadering met elk soort polymeer kan worden gebruikt. Mogelijke toepassingen zijn onder meer zelfherstellende materialen, hoewel om deze benadering op grote schaal te gebruiken, palladium, een zeldzaam en duur metaal, zou waarschijnlijk moeten worden vervangen door een goedkoper alternatief.

"Alles gemaakt van plastic of rubber, als het kon worden genezen als het beschadigd was, dan hoefde het niet weggegooid te worden. Misschien zou deze benadering materialen een langere levenscyclus opleveren, ' zegt Johnson.

Een andere mogelijke toepassing voor deze materialen is medicijnafgifte. Johnson gelooft dat het mogelijk zou kunnen zijn om medicijnen in te kapselen in de grotere kooien, stel ze vervolgens bloot aan groen licht om ze te openen en hun inhoud vrij te geven. Door groen licht toe te passen, kunnen de drugs worden heroverd, het verstrekken van een nieuwe benadering van omkeerbare medicijnafgifte.

De onderzoekers werken ook aan het creëren van materialen die omkeerbaar kunnen overschakelen van een vaste toestand naar een vloeibare toestand, en over het gebruik van licht om patronen van zachte en stijve secties binnen hetzelfde materiaal te creëren.