Een polymeer dat kan worden afgebroken tot zijn moleculaire bouwstenen, die vervolgens opnieuw kan worden gecombineerd door verwarming of koeling - maar in elk geval door verschillende mechanismen - is ontwikkeld door RIKEN-chemici. Dit zou kunnen leiden tot intrinsiek recyclebare en duurzame kunststoffen die op verzoek depolymeriseren.

Polymeren zijn moleculen met een lange keten die worden gevormd door lange reeksen kleine moleculen, monomeren genaamd, met elkaar te verbinden. In conventionele polymeren, de monomeren verbinden zich via covalente bindingen. Omdat deze banden zo sterk zijn, het is buitengewoon moeilijk om het monomeer aan het einde van de levensduur van een kunststof terug te winnen.

Takuzo Aida van het RIKEN Center for Emergent Matter Science heeft supramoleculaire polymeren ontwikkeld, waarin de monomeren verbinden via gemakkelijk omkeerbare niet-covalente interacties.

"We wilden aanvankelijk alleen een thermisch stabiel supramoleculaire polymeer synthetiseren met behulp van een schijfvormig monomeer met acht waterstofbindende amide-eenheden in zijn zijketens, " Aida. Een team dat zijn voormalige collega's Venkat Rao en Daigo Miyajima omvatte, ontwikkelde een op porfyrine gebaseerd monomeer dat een stabiel polymeer vormde in koolwaterstofoplosmiddelen. maar die gemakkelijk depolymeriseerde bij toevoeging van een alcohol, waardoor de waterstofbruggen die het polymeer bij elkaar hielden, verbroken werden.

Zoals verwacht, dit gedepolymeriseerde mengsel herpolymeriseerde bij afkoelen. "Maar tot onze grote verbazing het gedepolymeriseerde mengsel herpolymeriseerde ook bij verwarming, ' herinnert Aïda zich.

Om dit ongewone fenomeen te onderzoeken, de RIKEN-groep werkte samen met de groep van E.W. "Bert' Meijer aan de Technische Universiteit Eindhoven, Nederland, waar Mathijs Mabesoone een rekenmethode had ontwikkeld om supramoleculaire polymerisatie te analyseren.

De analyse bracht concurrerende processen aan het licht. Bij afkoeling, de acht alcoholmoleculen die een complex vormen met elk monomeer vielen in één keer af om herpolymerisatie mogelijk te maken. Als het gedepolymeriseerde mengsel werd verwarmd, echter, de alcoholmoleculen vielen één voor één af.

"Vóór de computationele analyse, niemand van ons had voorspeld dat zo'n interessant decomplexeringsmechanisme werkte, ", zegt Meijer. "Dergelijke complexe en competitieve moleculaire processen zijn een sleutelelement van de biologie, maar zijn pas recentelijk erkend in de supramoleculaire chemie. Ons polymeer is dus een stap in de richting van het dichten van de kloof tussen synthetische en natuurlijke systemen."

De ontdekking zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van supramoleculaire polymeren die zeer stabiel zijn in gebruik, maar zeer dynamisch wanneer het materiaal moet worden gerecycled.

Het zou ook de verwerking van polymeren op industriële schaal minder energieverslindend kunnen maken. Polymeeroplossingen zijn zeer viskeus en moeilijk te verwerken, maar het supramoleculaire polymeer wordt gedepolymeriseerd bij kamertemperatuur, en moet dus een lage viscositeit hebben.

"Dit kan een paradigmaverschuiving veroorzaken in de polymeerindustrie, " zegt Aida. "De volgende stap is om de polymeerstructuur aan te passen om het niet-polymeriseerbare temperatuurbereik te beheersen en om zeer goedkope monomeren te ontwerpen."