Recyclebare kunststoffen die ringvormige polymeren bevatten, kunnen een sleutel zijn tot de ontwikkeling van duurzame synthetische materialen. Ondanks enkele veelbelovende vorderingen, onderzoekers zeiden, een volledig begrip van hoe ringpolymeren tot praktische materialen moeten worden verwerkt, blijft ongrijpbaar. In een nieuwe studie, onderzoekers identificeerden een mechanisme genaamd "threading" dat plaatsvindt wanneer een polymeer wordt uitgerekt - een gedrag dat nog niet eerder is waargenomen. Dit nieuwe inzicht kan leiden tot nieuwe verwerkingsmethoden voor duurzame polymeermaterialen.

De meeste consumentenkunststoffen zijn mengsels van lineaire polymeren. Het concept van kunststoffen die puur zijn gemaakt van ringpolymeren - moleculen die een gesloten ring vormen - biedt een verleidelijke mogelijkheid voor duurzaamheid, zoals aangetoond door de Autonomous Materials Systems-groep van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Zodra een enkele binding die ringpolymeren bij elkaar houdt breekt, het hele molecuul valt uit elkaar, wat leidt tot desintegratie op verzoek. Echter, het verwerken van dergelijke polymeren tot praktische materialen blijft een uitdaging, aldus de onderzoekers.

Een door de Universiteit van Illinois geleid onderzoek uit 2013 toonde aan dat ringpolymeren door hitte kunnen worden gebroken, maar dit heeft een prijs - de resulterende kunststoffen zouden waarschijnlijk onstabiel worden en voortijdig beginnen af ​​​​te breken.

In de nieuwe studie U. of I.-onderzoekers Charles Schroeder en Yuecheng (Peter) Zhou onderzoeken de stromingsdynamiek van op DNA gebaseerde ring- en lineaire polymeeroplossingen om aanwijzingen te krijgen over hoe synthetische polymeren tijdens de verwerking op elkaar inwerken. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"We hebben geen fundamenteel begrip van hoe ringpolymeren zich uitrekken en in stroming bewegen terwijl ze door andere naburige polymeerketens navigeren. Dit werk stelde ons in staat om deze vragen op moleculair niveau te onderzoeken, " zei Schröder, een professor in de chemische en biomoleculaire techniek, Beckman Instituut onderzoeker en studie co-auteur.

In het laboratorium van Schroeder, de onderzoekers rekken en persen polymeren, waardoor ze gaan stromen en directe observatie van het gedrag van individuele moleculen mogelijk is met behulp van fluorescentiemicroscopie met één molecuul.

"Er is een fluctuatie in de vorm van de ringpolymeren en dit hangt af van de concentratie van lineaire polymeren in de oplossing, " zei Zhou, een afgestudeerde student, Beckman Institute-onderzoeker en hoofdauteur van de studie. "We zien dit gedrag niet in zuivere oplossingen van ring- of lineaire polymeren, dus dit vertelt ons dat er iets unieks gebeurt in gemengde oplossingen."

Met behulp van een combinatie van directe waarnemingen van één molecuul en fysieke metingen, het team concludeerde dat de vormveranderingen van de ringpolymeren optreden omdat lineaire moleculen zichzelf door de ringmoleculen steken wanneer ze worden belast, waardoor de ringvorm fluctueert onder vloeistofstroom.

"We hebben dit gedrag waargenomen, zelfs wanneer er een zeer lage concentratie lineaire polymeren in de mix zit, "Zei Zhou. "Dit suggereert dat er slechts een zeer minieme mate van besmetting nodig is om dit fenomeen te veroorzaken."

Dit rijgen van lineaire polymeren door ringpolymeren tijdens stress is iets dat eerder was getheoretiseerd, met behulp van grootschalige studies van de fysische eigenschappen, maar nu is het op moleculaire schaal waargenomen, aldus de onderzoekers.

"Bulkstudies maskeren meestal het belang van wat er op kleinere schaal gebeurt, ' zei Schröder.

Hoe deze observaties zich zullen vertalen in de verdere ontwikkeling van duurzame consumentenplastics blijft onduidelijk, aldus de onderzoekers. Echter, elk inzicht in de fundamentele moleculaire eigenschappen van gemengde polymeeroplossingen is een stap in de goede richting.

"Om pure ringpolymeerkunststoffen te realiseren, we moeten zowel gemengde als pure oplossingen op een fundamenteel niveau begrijpen, "Zei Schroeder. "Zodra we erachter kunnen komen hoe ze werken, dan kunnen we doorgaan met het synthetiseren ervan en uiteindelijk hoe we ze kunnen gebruiken in duurzame consumentenplastics."