Weten hoe assemblages van polymeren op nanoschaal (lange moleculaire ketens) moeten worden gebouwd, is de sleutel tot het verbeteren van een breed scala aan industriële processen, van de productie van nanovezels, filters, en nieuwe materialen voor de productie van energiezuinige, schakelingen en apparaten op nanoschaal. Een recent artikel in Natuurcommunicatie werpt licht op het belangrijkste gedrag van polymeren in speciaal ontworpen besloten ruimtes, de deur openen naar een niveau van controle dat voorheen onmogelijk was.

Wetenschappers in Japan aan de Universiteit van Kyoto en de Universiteit van Nagoya zijn erin geslaagd om op maat ontworpen kanalen op sub-nanometerschaal te vervaardigen, of poriën, die kunnen worden gemanipuleerd om polymeren te vangen en onderzoekers in staat te stellen te observeren hoe deze ketens reageren op temperatuurveranderingen. Voorheen was dit niveau van observatie niet mogelijk, en daarom was veel over polymeergedrag in subnanometerruimten - in het bijzonder thermische overgangen - onbekend.

De techniek maakt gebruik van speciaal ontworpen stoffen die bekend staan ​​als poreuze coördinatiepolymeren (PCP's), die opvallen door de hoge mate waarin hun poriegroottes en andere kenmerken kunnen worden gecontroleerd.

"Met PCP's kunnen we kooien ontwerpen waarin we specifieke moleculen kunnen opsluiten, ", legt hoofdwetenschapper Dr. Takashi Uemura van de Graduate School of Engineering van de Universiteit van Kyoto uit. "In dit geval polyethyleenglycolmoleculen - PEG's - kunnen in de kooien worden ondergebracht op dezelfde manier als de manier waarop zeealen zich in holen verbergen. In open water is er geen orde in hun zwemmen. Maar in cilindrische buizen, ze ordenen zich bij voorkeur lineair in groepen. Polymeerketens doen dit ook, ordelijk geassembleerd in de PCP-kanalen."

In dit geval, de PCP-kanalen zijn nauwkeurig afgestemd om hun grootte en binnenoppervlakkenmerken te regelen, waardoor het onderzoeksteam direct kan observeren hoe de polymeren zich gedroegen. Dit leidde tot de onverwachte bevinding dat de overgangstemperatuur -- in dit geval smeltpunt -- van ingesloten PEG's nam af naarmate hun molecuulgewicht -- lengte in dit geval -- toenam.

"Dit was precies het tegenovergestelde van wat we in bulk hadden waargenomen, dat is, 'gratis' PEG, " legt Dr. Susumu Kitagawa uit, adjunct-directeur van het Instituut voor Geïntegreerde Cel-Materiaalwetenschappen (iCeMS) van de Universiteit van Kyoto. "Wij denken dat dit het gevolg is van destabilisatie van de PEG-ketens onder opsluiting. De instabiliteit neemt toe samen met de lengte van de keten."

Het begrijpen van zulke minuscule details van het gedrag van nano-opgesloten polymeren geeft aanleiding tot de mogelijkheid van toekomstige doorbraken in de fabricage op nanoschaal op basis van assemblages van kleine aantallen polymeerketens, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan nieuwe materialen te fabriceren.