Verknoopte polymeren zijn structuren waarin grote molecuulketens aan elkaar zijn gekoppeld, het verlenen van uitzonderlijke mechanische eigenschappen en chemische weerstand aan het eindproduct. Echter, hun wijziging is niet eenvoudig. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology hebben een methode ontwikkeld waarmee verschillende polymeren gemakkelijk samen kunnen smelten, waardoor de eigenschappen van het uiteindelijke materiaal nauwkeurig kunnen worden afgestemd door geschikte basispolymeren te selecteren en in de juiste verhouding te mengen.

polymeren, grote moleculaire ketens bestaande uit kleine herhalende subeenheden, zijn overal om ons heen te vinden en ook in ons. DNA en eiwitten zijn enkele bekende natuurlijke polymeren. In tegenstelling tot, synthetische polymeren, zoals kunststoffen, werden ongeveer een eeuw geleden voor het eerst geproduceerd, maar hebben sindsdien hun weg gevonden naar ons dagelijks leven vanwege hun geweldige eigenschappen. Polymeren kunnen worden aangepast op basis van hun samenstellende subeenheden om ze veel gewenste eigenschappen te geven, zoals mechanische sterkte, rekbaarheid, doorlaatbaarheid, enzovoort.

Een andere manier om nog meer functionaliteiten in polymeren te verkrijgen is door ze te verknopen. Cross-linked polymers (CPL's) zijn polymeren die aan elkaar zijn gekoppeld met behulp van speciale cross-linker-moleculen. Bepaalde CPL's vertonen uitstekende eigenschappen vanwege hun in elkaar grijpende driedimensionale structuren. Gemotiveerd door de potentiële toepassingen, een onderzoeksteam van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) onder leiding van professor Hideyuki Otsuka heeft onlangs een doorbraak op dit gebied bereikt:ze zijn erin geslaagd om verschillende CPL's aan elkaar te koppelen via een ongekende aanpak. "De ontwikkeling van een nieuwe methode om verschillende CPL's te fuseren zou een revolutie in het veld teweegbrengen, omdat hun mechanische eigenschappen gemakkelijk en systematisch kunnen worden afgestemd in een operationeel eenvoudig proces, ", legt Otsuka uit.

De onderzoekers bereikten dit doel door dingen om te schakelen in het crosslinker-molecuul dat ze gebruikten. Om een ​​CPL zelfherstellend vermogen te geven, wat voor veel toepassingen zeer aantrekkelijk is, de polymeren moeten worden verbonden door zogenaamde dynamische covalente bindingen. Deze obligaties maken het ook mogelijk om verschillende soorten CPL's te fuseren, maar de koolstofmoleculen die in de momenteel beschikbare linkers worden gebruikt, zijn vatbaar voor oxidatie, wat de fusie en verwerking van CPL's in bulk bemoeilijkt. Wat dit onderzoeksteam deed, was een linkermolecuul gebruiken, genaamd BiTEMPS, dat polymeren verknoopt via een centrale zwavel-zwavel (S-S) covalente binding. Deze binding kan tijdelijk gehalveerd worden bij temperaturen hoger dan 80°C, die uitwisseling tussen verschillende polymeren aan de vrije uiteinden mogelijk maakt, TEMPS-radicalen genoemd (zie figuur 1). Door dit proces van splijten en opnieuw verbinden, verschillende CPL's kunnen aan elkaar worden gefuseerd. Een van de belangrijkste voordelen van de TEMPS-radicalen is dat ze zeer stabiel zijn tegen zuurstof, wat betekent dat alle bewerkingen kunnen worden uitgevoerd zonder dat er zuurstofzorg nodig is.

Om het nut van hun aanpak te bewijzen, de onderzoekers verknoopten twee soorten CPL's, de een veel elastischer dan de ander. Door hun mengsel heet te persen, ze slaagden erin om de CPL's samen te smelten, en de mechanische eigenschappen van het uiteindelijke materiaal waren afhankelijk van de verhouding van de gebruikte ruwe CPL's. "De mechanische eigenschappen van de gefuseerde monsters kunnen op grote schaal worden afgestemd om ze zo zacht en elastisch te maken als gewenst. Omdat de verscheidenheid aan beschikbare polymeren bijna oneindig is, het moet mogelijk zijn om met onze methode materialen te genereren die een breed spectrum aan fysische eigenschappen vertonen door oordeelkundig geschikte polymeersamenstellingen en mengverhoudingen te kiezen, " concludeert Otsuka. Deze innovatieve methode zal het veld van CPL's aanzienlijk vooruithelpen, waardoor de ontwikkeling van zeer op maat gemaakte materialen voor gespecialiseerde toepassingen mogelijk is.