Onderzoekers in Japan zijn erin geslaagd een nieuw type helicoïdaal supramoleculaire polymeer te creëren. Het proces en het mechanisme van het genereren van de structuur werden waargenomen met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM); de helicoïdale structuur groeide spontaan nadat twee verschillende monomeren waren gemengd. De bevindingen van het onderzoek, die werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 1 april, 2020 kan leiden tot het ontwerp van originele zachte materialen.

In recente jaren, onderzoekers hebben aandacht besteed aan supramoleculaire polymeren gevormd door niet-covalente bindingen met als doel slimme zachte materialen te ontwikkelen. Shiki Yagai, een professor aan de Chiba University zegt:"Supramoleculaire polymeren hebben verschillende functies. Ze hebben een zelfherstellend vermogen en worden gemakkelijk afgebroken, dus door een nauwkeurig ontwerp van hun moleculaire structuren zullen we in staat zijn om materialen te creëren met een hogere milieugevoeligheid."

Voor vele jaren, Prof. Yagai en zijn onderzoeksteam hebben gewerkt aan het ontwerpen van supramoleculaire polymeren met unieke eigenschappen. Goede voorbeelden van deze nieuwe polymeren zijn zelfopvouwbare supramoleculaire polymeren en chimere vezels die helixen en lineaire ketens combineren.

In dit onderzoek, het team slaagde erin een supramoleculaire polymeer te creëren waarvan de helicoïdale structuur zich spontaan uitstrekt. Verlenging wordt gestart door slechts twee moleculen te mengen die in één zuurstofatoom verschillen. Door het degradatieproces te observeren, ze ontdekten dat het nieuwe supramoleculaire polymeer de unieke eigenschap heeft om zijn chemische structuur te veranderen als reactie op temperatuur.

Toen ze twee naftaleenmoleculen mengden, zesledige waterstofgebonden supramoleculaire complexen (rozetten) bestaande uit monomeersubeenheden vormden een amorf coaggregaat (Fig. 1-A). Echter, wanneer ze op kamertemperatuur worden bewaard, geïntegreerde rozet-subeenheden waarin twee moleculen afwisselend zijn gerangschikt, geleidelijk gevormd in het mengsel, en dit ontwikkelde zich spontaan tot een prachtige spiraalvormige structuur (Fig.1-B). Het team slaagde erin de copolymerisatie te beheersen met behulp van elektrostatische interactie tussen de twee moleculen, en observeerde de vorming van de helicoïde met behulp van AFM. Spectrale metingen onthulden dat deze structurele verandering van hogere orde te wijten was aan de samenstelling van de rozet-eenheden waaruit het polymeer bestaat. Homopolymeren die alleen uit elektronenrijke moleculen bestaan ​​(rode moleculen in Fig. 1) worden energetisch gestabiliseerd door een stabiele ringstructuur te vormen, en geïntegreerde rozetten worden verder gestabiliseerd door coaggregatie. De bindingen tussen de rozetten worden versterkt door energetische stabilisatie en ze groeien uit tot een helicoïdale structuur in plaats van te stoppen bij ringen.

In aanvulling, er werd een unieke thermische respons ontdekt waarbij de helicoïdale supramoleculaire copolymeren snel instortten bij 45 ºC tot 50 ºC. Dit fenomeen is heel anders dan het thermische ontledingsgedrag van algemene supramoleculaire polymeren, die geleidelijk uiteenvallen van de terminale of defecte plaats.

"Met behulp van deze zelfsorterende structurele verandering, het moet mogelijk zijn om nieuwe zachte materialen te maken die snel reageren op verschillende omgevingen, " zegt prof. Yagai.