Ze zien eruit als microscopisch kleine flessenborstels:polymeren met een ruggengraat en plukjes zijarmen. Dit moleculaire ontwerp geeft hen ongebruikelijke vaardigheden:bijvoorbeeld ze kunnen actieve stoffen binden en weer afgeven als de temperatuur verandert. Met behulp van neutronen, een onderzoeksteam van de Technische Universiteit van München (TUM) is er nu in geslaagd om de veranderingen in de interne structuur in de loop van het proces te onthullen.

"De structuur van de flessenborstelpolymeren, die slechts nanometer groot zijn, kan niet worden onderzocht met klassieke optische methoden:het is te zien dat een waterige oplossing die deze polymeren bevat, bij een bepaalde temperatuur troebel wordt. Maar waarom dit zo is, en hoe de ruggengraat en de zijarmen zich in het water uitstrekken of samentrekken, is nog niet opgehelderd, " meldt prof. Christine Papadakis.

Er is een simpele reden waarom wetenschappers meer willen weten over het innerlijke leven van flessenborstelpolymeren:de pluizige moleculen, die uit verschillende polymeerketens bestaan ​​en hun oplosbaarheid in water bij een bepaalde temperatuur abrupt veranderen, zijn veelbelovende kandidaten voor uiteenlopende toepassingen.

Bijvoorbeeld, ze kunnen worden gebruikt als katalysatoren om chemische reacties te versnellen, als moleculaire schakelaars om kleine kleppen te openen of te sluiten, of als transportmedium voor medicijnen - de moleculaire borstels zouden zo geneesmiddelen naar een ontstekingscentrum kunnen brengen en, omdat de temperatuur daar hoog is, laat ze direct los op de plaats van actie.

Echter, de basisvoorwaarde voor het gebruik van de borstelmoleculen is dat hun gedrag kan worden geprogrammeerd:Theoretisch, scheikundigen kunnen een combinatie van in water oplosbare en in water onoplosbare bouwstenen gebruiken om precies te bepalen bij welke temperatuur de polymeren aan elkaar klonteren en de vloeistof waarin ze net zijn opgelost troebel wordt. "In praktijk, echter, je moet precies weten hoe en onder welke omstandigheden de structuur van de polymeren verandert als je slimme borstelmoleculen wilt ontwerpen, " legt Papadakis uit.

Neutronen onthullen hun moleculaire innerlijke leven

Samen met haar team in de Soft Matter Physics Group aan de Technische Universiteit van München, ze kan nu voor het eerst de veranderingen visualiseren die flessenborstelpolymeren met armen gemaakt van twee verschillende soorten bouwstenen ondergaan wanneer de temperatuur het troebelingspunt bereikt.

De wetenschappers gebruikten neutronenstraling van de Research Neutron Source Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) op de campus Garching in een speciaal instrument voor kleine hoek neutronenverstrooiing, die wordt geëxploiteerd door het Forschungszentrum Jülich

Deze methode is bij uitstek geschikt voor het onderzoek omdat neutronen elektrisch neutraal zijn en daardoor gemakkelijk materie binnendringen. Daar worden ze verspreid door de atoomkernen, wat resulteert in gedetailleerde informatie over de borstelmoleculen. In combinatie met moderne cryo-elektronenmicroscopie, een gedetailleerd begrip van deze moleculen zou kunnen worden verkregen.

Wanneer borstels aan elkaar klonteren

De thermoresponsieve borstelmoleculen die door het team van Papadakis zijn bestudeerd, zijn gesynthetiseerd door chemici van de National Hellenic Research Foundation in Griekenland en de Technische Universität Dresden, respectievelijk.

In de eerste stap, de monsters zijn opgelost in water, vervolgens geleidelijk opgewarmd tot het troebelingspunt en bestraald met neutronen. Een detector bewaakte de strooistraling. Van het verstrooiingssignaal, de onderzoekers konden de structurele veranderingen afleiden.

Afhankelijk van de structuur van de polymeren, watermoleculen splitsten zich al af voordat het troebelingspunt werd bereikt. Op het wolkpunt zelf, de moleculaire structuur van de polymeren stortte in. Wat overbleef waren in water onoplosbare polymeerspoelen, die afhankelijk van het restwatergehalte losse of compacte clusters vormden.

"De resultaten zullen helpen om flessenborstelpolymeren te ontwikkelen die geschikt zijn voor praktisch gebruik, " is de natuurkundige overtuigd. "Als je precies weet hoe polymeren veranderen bij het troebelingspunt, je kunt hun chemische structuur optimaliseren voor verschillende toepassingen."