Een team van wetenschappers aan de Universiteit van Vermont heeft een nieuw hulpmiddel uitgevonden - ze noemen het een "nanocage" - dat molecuul-grote klitten van polymeren kan vangen en rechtzetten.

Zodra een knoestige polymeerstreng - of deze nu gemaakt is van eiwit of plastic - opengetrokken is "dan kunnen we precies de polymeren activeren die we willen, terwijl je de rest met rust laat, ", zegt UVM-chemicus Severin Schneebeli die het nieuwe onderzoek leidde. Deze tool - die een beetje werkt als een prop draad door een naaldgat trekken - "opent een nieuwe manier om aangepaste materialen te maken die nog nooit eerder zijn gemaakt, ", zegt hij. Dit kunnen pilcoatings op nanoschaal zijn die zich om afzonderlijke moleculen van medicijnen wikkelen of nieuwe industriële producten die zijn samengesteld uit nauwkeurig gerangschikte strengen plastic op atomaire schaal.

Het gereedschap, samengesteld uit moleculaire randen met speciale "vormgerichte" waterstofbruggen - en duizenden keren kleiner dan een speldenknop - kan kortere strengen van een polymeer selecteren, langere achter laten, wat aantoont dat de nanokooi kan worden gebruikt om selectief bepaalde groottes van moleculen in een soep van materiaal te vinden. "Het is selectief en dat is nog nooit eerder gedaan, ", zegt Schneebeli. Dit onderzoek is de eerste keer dat de wetenschap in staat is polymeerketens van verschillende grootte te onderscheiden en te activeren in een laboratorium, wat de deur opent naar nieuwe mogelijkheden voor precisiechemie.

Het nieuwe onderzoek werd gepubliceerd in de juni-editie van het tijdschrift Chemo .

De natuur weet het

De mogelijkheden van de nanokooi zijn nieuw voor de wetenschap, maar niet voor de natuur. Al miljarden jaren, het leven heeft manieren ontwikkeld om precies dat stukje eiwit of andere biologische knoop te selecteren dat het wil losmaken en aanzetten - wat wetenschappers 'functionaliseren' noemen. Maar mensen hebben het moeilijk gehad om hetzelfde te doen. "Ondanks tal van voorbeelden in de biologie, " schrijven de UVM-wetenschappers, "efficiënte en selectieve modificatie van kunstmatige polymeren is nog steeds moeilijk."

Of het nu gaat om het veranderen van biologische strengen, zoals DNA, of industriële materialen, zoals plastic, de nieuwe tetraëdervormige tool belooft wetenschappers te laten doen wat de natuur al goed doet. "Het kostte jaren van hard werken in het lab om deze tetraëder te assembleren voordat we hem konden testen, " zegt Mona Sharafi, de hoofdauteur van de nieuwe studie, en postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Vermont die vanuit Iran naar de Verenigde Staten kwam. "Het is volledig door de mens gemaakt", zegt ze, "maar geïnspireerd door de natuur."

Krachtige polymeren

Het woord polymeer komt van een paar Griekse woorden die 'veel delen' betekenen. En polymeren zijn precies dat:materialen gemaakt van enorme moleculen die uit veel herhalende delen bestaan. Ze zijn te vinden in veel alledaagse producten. Sommige zijn natuurlijk, zoals rubber en schellak. Velen zijn synthetisch, en worden gebruikt om veel van het materiaal in het dagelijks leven te produceren - van boodschappentassen tot luiers, kleding tot waterleidingen. Polymeren zijn te vinden in nette lange strengen op moleculair niveau - of ze kunnen worden vastgebonden in afschuwelijke knopen zoals een miljard strengen microspaghetti

De natuur heeft eeuwen gehad om erachter te komen hoe deze enorme moleculen – biopolymeren, zoals DNA - en hoe u geselecteerde delen kunt bewerken en activeren. Mensen zijn behoorlijk goed geworden in het maken van nieuwe synthetische polymeren, maar niet zo goed in het selecteren en bewerken ervan. Veel wetenschappers en ingenieurs werken aan nieuwe toepassingen voor hernieuwbare energie (bijv. volgende generatie zonnecellen), precisiegeneeskunde (zoals afgifte van kankermedicijnen aan gerichte delen van het lichaam) en geavanceerde elektronica (inclusief flexibele apparaten) - zou graag meer controle en efficiëntie willen hebben bij het werken met wat het UVM-team 'functionele polymeren met complexe topologieën' noemt. Met steun van de National Science Foundation en de National Institutes of Health (die de computationele studies ondersteunden, geregisseerd door UVM-chemicus Jianing Li), het onderzoek naar de nanokooi biedt een nieuw hulpmiddel om dit te doen:"om de knoop los te maken, het openen van polymeren die voorheen ontoegankelijk zouden zijn geweest, " zegt Mona Sharafi van UVM. "We hebben iets groots geopend."