Een nieuw theoretisch raamwerk ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania belooft een nieuwe vorm te geven aan de manier waarop wetenschappers denken over polymeersuperstructuren, materialen met complexe architecturen die hen unieke eigenschappen geven. De bevindingen van het team, gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, bieden een manier om het gedrag van deze materialen te begrijpen en te voorspellen, wat zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen met op maat gemaakte eigenschappen voor een verscheidenheid aan toepassingen.

Polymeersuperstructuren zijn zelf-assemblerende structuren gevormd door de spontane organisatie van polymeerketens. Deze structuren kunnen een breed scala aan vormen en afmetingen hebben, waaronder bollen, staven en lamellen. De eigenschappen van polymeersuperstructuren zijn afhankelijk van hun architectuur, die wordt bepaald door de interacties tussen de polymeerketens.

Het nieuwe theoretische raamwerk, ontwikkeld door de Penn-onderzoekers, biedt een manier om het gedrag van polymeersuperstructuren te begrijpen en te voorspellen door rekening te houden met de vrije energie van het systeem. Vrije energie is een maatstaf voor de thermodynamische stabiliteit van een systeem, en kan worden gebruikt om de omstandigheden te bepalen waaronder een bepaalde bovenbouw zal ontstaan.

De onderzoekers gebruikten hun theoretisch raamwerk om de zelfassemblage van blokcopolymeren te bestuderen, dit zijn polymeren die uit twee of meer verschillende soorten monomeereenheden bestaan. Blokcopolymeren kunnen verschillende superstructuren vormen, afhankelijk van de samenstelling van het blokcopolymeer en de omstandigheden waaronder het wordt geassembleerd.

De onderzoekers ontdekten dat hun theoretisch raamwerk het gedrag van blokcopolymeren nauwkeurig voorspelde, en dat het ook nieuwe inzichten opleverde in de mechanismen van zelfassemblage. Deze informatie zou kunnen worden gebruikt om nieuwe blokcopolymeren te ontwerpen met op maat gemaakte eigenschappen voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals medicijnafgifte, weefselmanipulatie en energieopslag.

"Ons werk biedt een nieuwe manier om na te denken over polymeersuperstructuren", zegt Jian Qin, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Materials Science and Engineering van Penn en de eerste auteur van het onderzoek. "Wij geloven dat dit theoretische raamwerk een waardevol hulpmiddel zal zijn voor het begrijpen en ontwerpen van deze materialen voor een breed scala aan toepassingen."

De studie werd ondersteund door de National Science Foundation en het Army Research Office.