Een nieuwe benadering van het bestuderen van geconjugeerde polymeren heeft het voor een door het leger gefinancierd onderzoeksteam mogelijk gemaakt om te meten, Voor de eerste keer, de mechanische en kinetische eigenschappen van de individuele moleculen tijdens de polymerisatiereactie. De verkregen inzichten kunnen leiden tot flexibelere en robuustere zachte elektronische materialen, zoals gezondheidsmonitoren en zachte robotica.

Geconjugeerde polymeren zijn in wezen clusters van moleculen die langs een ruggengraat zijn geregen en die elektronen kunnen geleiden en licht kunnen absorberen. Dit maakt ze perfect geschikt voor het maken van zachte opto-elektronica, zoals draagbare elektronische apparaten; echter, zo flexibel als ze zijn, deze polymeren zijn moeilijk in bulk te bestuderen omdat ze aggregeren en uit de oplossing vallen.

"Geconjugeerde polymeren zijn een fascinerende klasse van materialen vanwege hun inherente optische en elektronische eigenschappen die worden bepaald door hun polymeerstructuur, " zei Dr. Dawanne Poree, programma manager, US Army Combat Capabilities Development Command, bekend als DEVCOM, Leger onderzoekslaboratorium. "Deze materialen zijn zeer relevant voor een aantal toepassingen die van belang zijn voor het leger en DoD, waaronder draagbare elektronica, draagbare apparaten, sensoren, en optische communicatiesystemen. Daten, helaas, het was moeilijk om geconjugeerde polymeren te ontwikkelen voor gerichte toepassingen vanwege een gebrek aan levensvatbare hulpmiddelen om hun structuur-eigenschaprelaties te bestuderen en te correleren."

Met geld van het leger, onderzoekers van Cornell University gebruikten een aanpak die ze pionierden op andere synthetische polymeren, magnetische pincet genoemd, waardoor ze individuele moleculen van het geconjugeerde polymeer polyacetyleen konden rekken en draaien. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Chemo .

"Door het gebruik van nieuwe benaderingen voor manipulatie en beeldvorming met één molecuul, dit werk leverde de eerste waarnemingen op van enkelketenig gedrag in geconjugeerde polymeren, wat de basis legt voor het rationele ontwerp en de verwerking van deze materialen om wijdverbreide toepassing mogelijk te maken, ' zei Pore.

Eerdere pogingen om de oplosbaarheid van geconjugeerde polymeren aan te pakken, waren vaak gebaseerd op chemische derivatisering, waarin de structuren zijn gemodificeerd met functionele groepen van atomen. Echter, die benadering kan de aangeboren eigenschappen van het polymeer beïnvloeden.

"Het geconjugeerde polymeer is echt een prototype, " zei Dr. Peng Chen, de Peter J. W. Debye hoogleraar scheikunde en chemische biologie aan Cornell. "Je past het altijd aan om het aan te passen voor toepassingen. We hopen dat alles wat we hebben gemeten - de fundamentele eigenschappen van synthesekinetiek, de mechanische eigenschap - worden referentienummers voor mensen om na te denken over andere polymeren van dezelfde categorie."

in 2017, Chen's groep was de eerste die de magnetische pincet-meettechniek gebruikte om levende polymerisatie te bestuderen, visualiseren op het niveau van één molecuul. De techniek werd al gebruikt in de biofysica voor het bestuderen van DNA en eiwitten, maar niemand had het met succes uitgebreid tot het rijk van synthetische polymeren.

Het proces werkt door het ene uiteinde van een polymeerstreng aan een glazen dekglaasje te bevestigen en het andere uiteinde aan een klein magnetisch deeltje. De onderzoekers gebruiken vervolgens een magnetisch veld om het geconjugeerde polymeer te manipuleren, uitrekken of draaien, en het meten van de respons van een enkele polymeerketen die groeit.

De bedragen zijn zo klein, ze blijven oplosbaar in oplossing, zoals bulkbedragen dat normaal niet zouden doen.

Het team heeft gemeten hoe lang ketens van geconjugeerde polymeren, die uit honderdduizenden monomeereenheden bestaan, in realtime groeien. Ze ontdekten dat deze polymeren een nieuw monomeer per seconde toevoegen, een veel snellere groei dan hun niet-geconjugeerde analogen.

"We ontdekten dat terwijl we in realtime groeiden, dit polymeer vormt conformationele verstrengelingen, Chen zei. "Alle polymeren die we hebben bestudeerd, vormen conformationele verstrengelingen, maar voor dit geconjugeerde polymeer is deze conformationele verstrengeling losser, waardoor het sneller kan groeien."

Door individuele geconjugeerde polymeren te trekken en uit te rekken, zogenaamde krachtuitbreidingsmetingen, de onderzoekers waren in staat om hun stijfheid te beoordelen en beter te begrijpen hoe ze in verschillende richtingen kunnen buigen terwijl ze geconjugeerd blijven en de elektronengeleiding behouden.

Ze ontdekten ook dat de polymeren verschillende mechanische gedragingen vertoonden van de ene individuele keten tot de volgende gedragingen die door de theorie waren voorspeld maar nooit experimenteel waren waargenomen.

De bevindingen benadrukken zowel het unieke karakter van geconjugeerde polymeren voor een reeks toepassingen als de kracht van het gebruik van een manipulatie- en beeldvormingstechniek met één molecuul op synthetische materialen.

"Nu hebben we een nieuwe manier om te bestuderen hoe deze geconjugeerde polymeren chemisch worden gemaakt en wat de fundamentele mechanische eigenschap is van dit soort materiaal, " zei Chen. "We kunnen bestuderen hoe deze fundamentele eigenschappen veranderen wanneer je ze aanpast voor toepassingsdoeleinden. Misschien kun je het mechanisch flexibeler maken en het polymeer langer maken, of pas de syntheseconditie aan om het polymeer op een snellere of langzamere manier te synthetiseren."