Das Bild zeigt ein von einem Chemiker des Massachusetts Institute of Technology entwickeltes Polymer, das sowohl lichtempfindlich als auch reversibel von einer großen Struktur auf ein kleineres blaues Objekt umschaltbar ist.
Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein Polymermaterial entworfen, das seine Struktur verändert, um auf Licht zu reagieren und es von einer harten Substanz in eine flexible Substanz zu verwandeln, die sich bei Beschädigung selbst heilen kann.
Jeremiah Johnson, außerordentlicher Professor für Chemie am Massachusetts Institute of Technology, ist Mitglied des Koch-Instituts für Integrative Krebsforschung am MIT und Leiter der Forschungsgruppe Polymer- und Weichstoffforschung. "Man kann den Zustand des Materials hin und her schalten, und in jedem Zustand, selbst wenn es aus der gleichen Zusammensetzung besteht, ist es wie ein ganz anderes Material."
Johnson schlug das vor Dieses Material besteht aus einem Polymer, das an ein Photorezeptormolekül gebunden ist und das dazu verwendet werden kann, die im Inneren des Materials gebildeten chemischen Bindungen zu verändern. Obwohl dieses Material dazu verwendet werden kann, Gegenstände wie Autos oder Satelliten zu beschichten, die nach einer Beschädigung heilen können, sind diese Anwendungen in der Zukunft weit entfernt.
Der erste Autor des in Nature veröffentlichten Papiers ist Yu Wei Gu, ein Doktorand am Massachusetts Institute of Technology.Andere Autoren sind Eric Alt, MIT-Doktorand, Adam Willard, Assistenzprofessor für Chemie am Massachusetts Institute of Technology und der University of South Florida. Heng Wang und Xiaopeng Li.
Viele der Eigenschaften eines Polymers, wie seine Härte und Expansionsfähigkeit, werden durch seine Topologie bestimmt, dh wie die Zusammensetzung des Materials ausgerichtet ist.Typischerweise kann die Topologie nach der Bildung des Materials nicht reversibelverändert werden. Der Gummiball bleibt elastisch und wird nicht spröde, ohne seine chemische Zusammensetzung zu verändern.
In diesem Artikel wollen Johnson und seine Kollegen ein Material schaffen, das noch nie zuvor gesehen wurde und das reversibel zwischen zwei verschiedenen topologischen Zuständen umgeschaltet werden kann: Sie haben erkannt, dass sie vor einigen Jahren ein Polymer entworfen haben. Metallorganische Käfigmaterialien PolyMOCs stellen einen vielversprechenden Kandidaten für die Realisierung dar. PolyMOCs werden durch Verbinden eines Metalls durch ein flexibles Polymer zu einer Käfigstruktur gebildet.
Die Forscher machten diese Materialien durch Mischen von Polymeren, die an Liganden gebunden sind, die an Metallatome binden können. Jedes Metallatom (in diesem Fall Metallpalladium) kann an vier Ligandenmoleküle gebunden werden, um starre Käfigcluster mit unterschiedlichen Palladium-Ligand-Molekülverhältnissen zu bilden, die die Größe der Käfigcluster bestimmen.
In dieser neuen Studie planen die Forscher, ein Material zu entwerfen, das reversibel zwischen zwei Käfigen unterschiedlicher Größe geschaltet werden kann: eine mit 24 Palladiumatomen und 48 Liganden, eine mit 3 Palladiumatomen und 6 Ligandenmoleküle.
Um dieses Ziel zu erreichen, werden sie DTE werden genannt eine lichtempfindliche Molekül-Liganden in. Magnitude Bindungswinkel von Käfigmolekülen von Stickstoff auf dem Liganden zu Palladium DTE Entscheidung gebildet wird, wenn sie ultraviolettes Licht ausgesetzt, es Die Bildung eines Rings im Liganden erhöht den Winkel, in dem der Stickstoff an das Palladium bindet, wodurch der Cluster reißt und größere Cluster bildet.
Wenn die Forscher grünes Licht auf das Material emittieren, wird der Ring gebrochen, der Bindungswinkel wird kleiner und es bilden sich kleinere Cluster.Dieser Prozess dauert etwa fünf Stunden. Die Forscher fanden heraus, dass sie sieben Umkehrungen durchführen konnten: Bei jeder Umkehrung gab es immer einen kleinen Anteil des Polymers, der nicht umgekehrt werden konnte, was schließlich zu einer Materialtrennung führte.
Wenn sich das Material in einem kleinen Cluster-Zustand befindet, ist es unter normalen Bedingungen 10-mal dynamischer und dynamischer.Johnson sagt: "Sie können fließen, wenn sie erhitzt werden, was bedeutet, dass sie geschnitten werden können und unter milden Heizbedingungen Selbstheilung. "
Dieser Ansatz überwindet das Problem, das normalerweise bei selbstheilenden Materialien auftritt, dh sie neigen dazu, relativ schwach in der Struktur zu sein. In diesem Fall kann das Material zwischen einem weicheren selbstheilenden Zustand und einem steiferen Zustand umgeschaltet werden.
In dieser Studie Forscher verwenden Polymer-Polyethylenglycol (PEG), um Materialien herzustellen, von denen sie glauben, dass sie mit jeder Art von Polymer verwendet werden können. Mögliche Anwendungen sind selbstheilende Materialien, und obwohl diese Methode weit verbreitet ist, muss Palladium, ein seltenes und teures Metall, durch eine billigere Alternative ersetzt werden.
"Alles, was aus Plastik oder Gummi besteht, kann repariert werden, wenn es beschädigt ist", sagte Johnson. "Sie müssen es nicht wegwerfen. Vielleicht wird diese Methode dem Material ein längeres Leben geben."
Eine andere mögliche Anwendung für diese Materialien stellt die Medikamentenabgabe dar. Johnson glaubt, dass es möglich ist, das Medikament in einer größeren Käfigstruktur einzukapseln und es dann grünem Licht auszusetzen, um es zu öffnen und freizusetzen. Erfasst, bietet eine neue Methode für die reversible Arzneimittelabgabe.
Forscher arbeiten auch daran, Materialien zu schaffen, die reversibel von fest zu flüssig übergehen, und verwenden Licht, um ein flexibles und starres Muster innerhalb desselben Materials zu erzeugen.