Onderzoekers van de Northwestern University hebben de meest nauwkeurige manier ontwikkeld om polyrotaxanen te bouwen, een mechanisch vergrendeld polymeer voor glijringgels, materialen voor batterijelektroden en platforms voor medicijnafgifte.

Een kettingachtig molecuul gemaakt met ringen die op een polymeerkoord zijn geregen, polyrotaxanen zijn notoir moeilijk te construeren. Een nieuwe methode van het laboratorium van de Nobelprijswinnende chemicus Sir Fraser Stoddart gebruikt twee kunstmatige moleculaire pompen om ringen aan elk uiteinde van een polymeerstreng te installeren. Met de kleine pompjes kunnen onderzoekers precies bepalen hoeveel ringen er op het polymeer terechtkomen.

"Deze polyrotaxanen zijn nog nooit met zo'n precisie gemaakt, Stoddart zei. "Zonder de mogelijkheid om de structuur van het polymeer nauwkeurig te definiëren, je kunt de algemene eigenschappen van het materiaal niet verfijnen."

Het blad verschijnt vrijdag, 12 juni in het journaal Wetenschap .

Stoddart is de Board of Trustees Professor aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Yunyan Qiu, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Stoddart, is de eerste auteur van de krant.

Onderzoekers hebben jarenlang polyrotaxanen bestudeerd, gefascineerd door hun rekbare mechanische eigenschappen en het vermogen van materialen die ze bevatten om zichzelf te genezen. Maar, tot nu, het was onmogelijk om deze veelbelovende polymeren te bouwen met een precies aantal ringen.

"Traditioneel, onderzoekers mengen de ringen en polymeren samen, en ze vormen inclusiecomplexen door niet-covalente interacties, " zei Qiu. "Maar je kon niet weten hoeveel ringen er in zaten totdat je het later analyseerde met behulp van kernmagnetische resonantiemicroscopie. Mensen konden het percentage ringen tot op zekere hoogte ongeveer controleren, maar het was nog steeds een schatting."

Om deze uitdaging te overwinnen, gebruikten de noordwestelijke onderzoekers een kunstmatige moleculaire pomp, die in 2015 werd ontwikkeld in het laboratorium van Stoddart. De eerste in zijn soort, de pomp haalt zijn energie uit redoxreacties, drijft moleculen van een toestand met lage energie naar een toestand met hoge energie.

Om polyrotaxanen te bouwen, de pomp maakt gebruik van repetitieve redoxreacties, hetzij chemisch of elektrochemisch, waarin een molecuul elektronen wint of verliest. aanvankelijk, de pomp - aan beide uiteinden van de polymeerstreng - en de ringen zijn beide positief geladen en, dus, elkaar afstoten.

Bij het injecteren van elektronen, eenheden in zowel pompen als ringen veranderen van dicationische naar radicale kationische toestanden. Plotseling, de ringen worden aangetrokken door de pompkoppen en worden aan beide uiteinden van de polymeerstreng geregen. Daaropvolgende oxidatie verwijdert de elektronen, herstel van de positieve ladingen. De ringen proberen te ontsnappen, maar kunnen dat niet vanwege de positief geladen eenheden aan beide uiteinden van de polymeerstreng. Milde verwarming zorgt ervoor dat de ring over een verkeersdrempel op de polymeerketen terechtkomt. De pomp herhaalt dit proces om ringen in paren op de polymeerstreng te rekruteren.

"We kunnen tot 10 ringen op de draad rekruteren, " zei Qiu. "Maar we denken dat we alleen worden beperkt door de lengte van de gekozen polymeerketen. Als we de lengte van het polymeer verdubbelen, we kunnen het aantal ringen verdubbelen."

Het team is ook van mening dat met deze methode, ze konden veel verschillende soorten polymeren gebruiken om niet-traditionele polyrotaxanen met ongebruikelijke eigenschappen te maken.

"Ik ben erg enthousiast over dit onderzoek, "Zei Stoddart. "Ik heb het daar geplaatst met enkele van de beste kranten waarmee ik de afgelopen 50 jaar ben geassocieerd."