Een techniek waarmee onderzoekers de beweging van individuele moleculen in een polymeer kunnen bekijken, is ontwikkeld door KAUST:het daagt het huidige denken over polymeerfysica uit en zou kunnen leiden tot nieuwe materialen die kunnen worden aangepast voor specifieke taken.

Polymeren zijn een grote en diverse familie van materialen, variërend van harde, harde kunststoffen tot flexibele, elastische gels. Op microscopisch niveau, polymeren bestaan ​​uit langketenige moleculen die in elkaar verstrengeld zijn als een plaat spaghetti op nanoschaal. De eigenschappen van een polymeermateriaal komen voort uit de manier waarop de samenstellende polymeerketens bewegen en met elkaar interageren. Tot nu, Het vermogen van onderzoekers om polymeereigenschappen volledig te begrijpen werd belemmerd omdat het onmogelijk was om individuele polymeerketenbeweging waar te nemen.

Satoshi Habuchi en zijn team hebben deze beperking overwonnen met behulp van superresolutie fluorescentiemicroscopie. "Fluorescentiebeeldvorming is een uitstekende techniek om realtime gedrag van dynamische systemen vast te leggen, " zegt Maram Abadi, een lid van het team van Habuchi.

Voor de polymeerstudie Habuchi en zijn team creëerden een polymeer met fluorescerende tags die op verschillende punten in de keten waren bevestigd. Hoewel de ruimtelijke resolutie van conventionele fluorescentiebeeldvorming beperkt is tot 200-300 nanometer - onvoldoende voor het volgen van polymeerketendynamiek - biedt fluorescentiebeeldvorming met superresolutie een aanzienlijk scherpere resolutie van 10-20 nanometer. Superresolutie wordt bereikt door 10, 000 afzonderlijke fluorescentiemicroscopiebeelden binnen enkele seconden, en vervolgens een computer te gebruiken om ze te combineren om een ​​enkel beeld met superresolutie te genereren. De techniek leverde zijn oorspronkelijke ontdekkers de Nobelprijs voor Scheikunde 2014.

Habuchi en zijn team combineerden deze techniek met een single-molecule tracking-algoritme dat ze recentelijk hebben ontwikkeld. "Het bood een krachtig hulpmiddel voor het onderzoeken van verstrengelde polymeerdynamica op het niveau van één molecuul, zegt Abadi.

De tool toonde aan dat polymeerdynamica complexer is dan eerder werd gedacht. Polymeerdynamica is gemodelleerd met behulp van reptatietheorie waarin de gehele polymeerketen wordt beschouwd als een enkele eenheid, vergelijkbaar met een slang, wat de afleiding van de term van het woord reptiel verklaart. Superresolutie fluorescentiemicroscopie onthult dat het polymeer daadwerkelijk ketenpositie-afhankelijke beweging ondergaat, waarbij de meeste beweging plaatsvindt aan de uiteinden van de ketting en de minste beweging in het midden.

Deze ontdekking toont aan dat de theorie van de polymeerfysica zal moeten worden herzien, zegt Abadi. "Aangezien reologische eigenschappen van materialen microscopisch ontstaan ​​uit verstrengelde polymeerdynamica, een herziening van de reptatietheorie zou een brede impact hebben, niet alleen op de fundamentele polymeerfysica, maar ook op de ontwikkeling van een breed scala aan polymere nanomaterialen, " ze zegt.

Het team is nu van plan zijn techniek toe te passen op complexere systemen, inclusief polymeergels en netwerken van biomoleculen in cellen.