Synthetische polymeren zijn overal in onze samenleving aanwezig:van nylon en polyester kleding tot teflon kookgerei en epoxylijm. Op moleculair niveau zijn de moleculen van deze polymeren gemaakt van lange ketens van monomeerbouwstenen, waarvan de complexiteit de functionaliteit van veel van dergelijke materialen vergroot.

Met name copolymeren, die uit verschillende soorten monomeren in dezelfde keten bestaan, maken het mogelijk de eigenschappen van het materiaal te verfijnen, zegt Peng Chen, de Peter J.W. Debye hoogleraar scheikunde aan het College of Arts and Sciences (A&S). De monomeersequentie speelt een cruciale rol in de eigenschappen van een materiaal, maar tot nu toe ontbrak het wetenschappers aan een methode om synthetische copolymeren te sequencen.

Chen en collega's hebben CREATS (Coupled REaction Approach Toward Super-resolutie imaging) ontwikkeld, waarmee ze polymerisatiekatalysereacties in beeld kunnen brengen met een resolutie van één monomeer en, door middel van fluorescentiesignalering, monomeren van elkaar kunnen onderscheiden. Beide zijn belangrijke stappen in het ontdekken van de moleculaire samenstelling van een synthetisch polymeer.

Ze beschrijven de techniek en de eerste ontdekkingen die ze ermee hebben gedaan in 'Optical Sequencing of Single Synthetic Polymers', gepubliceerd in Nature Chemistry .

Co-hoofdauteurs zijn Rong Ye, Xiangcheng Sun en Xianwen Mao, allemaal voormalige postdoctorale onderzoekers in de Chen-groep. Co-auteurs zijn voormalig postdoctoraal onderzoeker Susil Baral en Chunming Liu uit de Chen-groep, huidig ​​postdoctoraal onderzoeker Felix Alfonso, en Geoffrey Coates, hoogleraar scheikunde en chemische biologie (A&S) van de Tisch Universiteit.

"Synthetische polymeren zijn gemaakt van monomeereenheden die met elkaar zijn verbonden als een reeks kralen", zei Chen. In de eenvoudigste polymeren zijn de monomeren identiek, maar complexere eigenschappen ontstaan ​​wanneer polymeren monomeren van verschillende soorten bevatten, de zogenaamde copolymeren. De precieze rangschikking van de monomeren in een copolymeer speelt een belangrijke rol in de eigenschappen ervan, zoals stijfheid of flexibiliteit.

Sequentie speelt ook een rol in de eigenschappen van natuurlijke polymeren, zei Chen. Een eiwit bestaat bijvoorbeeld uit twintig aminozuurmonomeren die in een zeer specifieke volgorde zijn gerangschikt.

"In een natuurlijk polymeer heeft de natuur de controle", zei Chen. "Bij synthetische polymeren maken mensen de afspraken, en de scheikundigen hebben over het algemeen niet zo'n nauwkeurige controle."

Het sequencen van copolymeren is voor een groot deel zo moeilijk vanwege de heterogeniteit in synthetische polymeren, zei Chen. Individuele ketens verschillen in lengte, samenstelling en volgorde, wat sequentiemethoden voor één polymeer vereist die individuele monomeren kunnen oplossen en identificeren.

Sommige moderne methoden stellen wetenschappers in staat de rangschikking van monomeren in een keten te controleren, zei Chen, maar alleen voor zeer korte polymeren – 10 tot 20 monomeren lang.

Met behulp van CREATS kunnen de onderzoekers de volgorde van een polymeer bepalen zoals het wordt gemaakt, monomeer voor monomeer, door elk afzonderlijk monomeer in beeld te brengen en te identificeren terwijl het aan het polymeer wordt toegevoegd. Om de monomeren zichtbaar te maken, koppelt CREATS de polymerisatiereactie aan een andere reactie die fluorescentiesignalen produceert.

"Elk monomeer dat binnenkomt, geeft een vleugje licht af", zei Chen. "Het licht wordt geïnduceerd door een laser en het lichtwolkje heeft een kleur. In ons geval is het groen of geel. Door te kijken of het geel of groen is, kunnen we zien welk monomeer er in gaat."

Het laboratorium is al uitgerust om de eigenschappen van synthetische polymeren te meten. Nu ze de volgorde van een individueel polymeer kunnen bepalen, is een volgende stap het combineren van de twee experimenten om structuur en functie met elkaar in verband te brengen, wat uiteindelijk leidende principes oplevert voor het ontwerp van polymeer om bepaalde eigenschappen te bereiken.

"Als je weet hoe de reeks de eigenschap controleert, kun je echt nadenken over het ontwerpen van welke reeks je ook wilt om een ​​bepaalde eigenschap te bereiken," zei Chen. "Deze kennis kan mensen vermoedelijk helpen hun materialen af ​​te stemmen op een gewenste toepassing."

Meer informatie: Rong Ye et al., Optische sequencing van afzonderlijke synthetische polymeren, Natuurchemie (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01363-2

Journaalinformatie: Natuurchemie

Aangeboden door Cornell University