Счетные петли, которые ослабляют материалы, могут помочь исследователям устранить структурные недостатки. Такие методы, которые в настоящее время разрабатываются учеными из Массачусетского технологического института, содержат много обещаний для создания более прочных материалов.
Многие из объектов, с которыми мы сталкиваемся, сделаны из полимеров – длинных цепей повторяющихся молекул. Сети полимеров образуют искусственные материалы, такие как пластмассы, а также натуральные продукты, такие как резина и целлюлоза.
Во всех этих полимерных материалах имеются структурные дефекты на молекулярном уровне. Чтобы сформировать идеальную сеть, каждая полимерная цепь связывается только с другой цепью. Однако в любом реальном полимерном материале значительная часть цепей вместо этого связывается с самим собой, образуя гибкие петли.
«Если ваши свойства материала зависят от того, что полимеры соединены друг с другом, чтобы сформировать сеть, но у вас есть полимеры, сложенные и связанные с собой, то эти полимеры не являются частью сети. Они ослабили его, – говорит Джеремия А. Джонсон, доцент кафедры химии в Массачусетском технологическом институте.
Джонсон и его коллеги впервые разработали способ измерения количества петель в данной полимерной сети, что, по их мнению, является первым шагом на пути к созданию лучших материалов, которые не содержат этих слабых мест.
Huaxing Zhou, MIT postdoc, является ведущим автором статьи, описывающей новую технику на этой неделе в журнале «Труды Национальной академии наук». Другие авторы посещают научный сотрудник Jiyeon Woo, аспирант химии Александра Кок, аспирант химического машиностроения Мучжоу Ван и Брэдли Олсен, доцент кафедры химической инженерии.
Хотя химики-химики знали об этих петлях с 1940-х годов, у них не было возможности считать их до сих пор. В новой статье исследователи измерили процент петель в геле, но их подход можно было использовать практически для любого типа полимерной сети, говорит Джонсон.
Чтобы измерить количество циклов, исследователи сначала проектируют полимерные цепи, которые включают химическую связь в определенном месте, которая может быть разрушена с помощью гидролиза. Как только полимер сшивается в гелевую сеть, исследователи обрабатывают его базой, которая расщепляет эту химическую связь, известную как сложный эфир. (Другие методы деградации, такие как ферменты или свет, также могут быть использованы).
Поскольку они знают, где находятся точки останова, исследователи могут предсказать процентное соотношение четырех различных продуктов деградации, которые они должны ожидать найти в идеальной, без петлевой сети. Измеряя количество каждого продукта разложения и сравнивая его с идеалом, они могут определить, какая часть контуров, сформированных полимером.
Они обнаружили, что процент полимерных петель колеблется от примерно 9 процентов до почти 100 процентов, в зависимости от концентрации полимеров в исходном материале и других факторов.
«Даже в лучшем материале, который мы можем сделать, 9 процентов его соединений будут потрачены впустую как петли, что говорит нам, что если мы сможем выяснить способ сокращения образования циклов, у нас будет 9-процентное улучшение материальных свойств», – говорит Джонсон ,
Кристофер Билавски, профессор химии в Техасском университете в Остине, говорит, что новая техника преодолевает давние ограничения в понимании химиками точных структур полимеров.
«Техника – прекрасная комбинация эксперимента, теории и современной аналитики, которая делает поле гигантским шагом на пути к решению проблемы огромной важности», – говорит Билявски, который не был членом исследовательской группы.
Исследователи теперь ищут способы уменьшить количество циклов путем изменения смеси полимеров, используемых для производства материала, а также условий реакции. Они также планируют использовать свой метод для изучения взаимодействия между клетками и биологическими материалами. Уже было показано, что в микронном масштабе клетки ведут себя по-разному в зависимости от механических свойств окружающей среды, таких как жесткость.
В своих новых исследованиях исследователи MIT хотят посмотреть на наномасштабные взаимодействия между клетками и специфическими белковыми последовательностями, обнаруженными во внеклеточном матриксе, который обеспечивает структурную поддержку клеток. Исследователи надеются выяснить, что происходит, когда клетка захватывает белок, который зацикливается на себе, а не прикрепляется к внеклеточной матрице.”