I ricercatori del MIT hanno progettato un materiale polimerico che può cambiare la sua struttura in risposta alla luce, convertendosi da una sostanza rigida a una più morbida che può guarire se stessa quando danneggiata.

"Puoi cambiare gli stati materiali avanti e indietro, e in ciascuno di questi stati, il materiale si comporta come se fosse un materiale completamente diverso, anche se è composto da tutti gli stessi componenti, "dice Geremia Johnson, professore associato di chimica al MIT, membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research e del Program in Polymers and Soft Matter del MIT, e il capo del gruppo di ricerca.

Il materiale è costituito da polimeri attaccati a una molecola sensibile alla luce che può essere utilizzata per alterare i legami formati all'interno del materiale. Tali materiali potrebbero essere utilizzati per rivestire oggetti come automobili o satelliti, dando loro la capacità di guarire dopo essere stati danneggiati, sebbene tali applicazioni siano ancora lontane nel futuro, dice Johnson.

L'autore principale del documento, che appare nel numero del 18 luglio di Natura , è lo studente laureato del MIT Yuwei Gu. Altri autori sono lo studente laureato del MIT Eric Alt, assistente professore di chimica del MIT Adam Willard, e Heng Wang e Xiaopeng Li della University of South Florida.

Struttura controllata

Molte delle proprietà dei polimeri, come la loro rigidità e la loro capacità di espansione, sono controllati dalla loro topologia:come sono disposti i componenti del materiale. Generalmente, una volta formato il materiale, la sua topologia non può essere modificata in modo reversibile. Per esempio, una palla di gomma rimane elastica e non può essere resa fragile senza modificarne la composizione chimica.

In questo documento, i ricercatori volevano creare un materiale che potesse passare in modo reversibile tra due diversi stati topologici, che non è stato fatto prima.

Johnson e i suoi colleghi si sono resi conto che un tipo di materiale da loro progettato alcuni anni fa, note come gabbie metallo-organiche polimeriche, o polyMOC, era un candidato promettente per questo approccio. I PolyMOC sono costituiti da metalli, strutture a gabbia unite tra loro da leganti polimerici flessibili. I ricercatori hanno creato questi materiali mescolando polimeri attaccati a gruppi chiamati ligandi, che può legarsi a un atomo di metallo.

Ogni atomo di metallo, in questo caso, palladio:può formare legami con quattro molecole di legante, creando cluster rigidi a gabbia con rapporti variabili tra palladio e molecole di ligando. Questi rapporti determinano la dimensione delle gabbie.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno deciso di progettare un materiale che potesse passare in modo reversibile tra due gabbie di diverse dimensioni:una con 24 atomi di palladio e 48 ligandi, e uno con tre atomi di palladio e sei molecole di legante.

Per ottenere ciò, hanno incorporato una molecola sensibile alla luce chiamata DTE nel ligando. La dimensione delle gabbie è determinata dall'angolo dei legami che una molecola di azoto sul legante forma con il palladio. Quando DTE è esposto alla luce ultravioletta, forma un anello nel ligando, che aumenta la dimensione dell'angolo con cui l'azoto può legarsi al palladio. Questo fa sì che i grappoli si rompano e formino grappoli più grandi.

Quando i ricercatori danno luce verde al materiale, l'anello è rotto, l'angolo di legame diventa più piccolo, e i gruppi più piccoli si riformano. Il processo richiede circa cinque ore per essere completato, e i ricercatori hanno scoperto che potevano eseguire l'inversione fino a sette volte; ad ogni capovolgimento, una piccola percentuale dei polimeri non torna indietro, che alla fine provoca la caduta del materiale.

Quando il materiale si trova nello stato a cluster piccolo, diventa fino a 10 volte più morbido e dinamico. "Possono fluire quando riscaldati, il che significa che potresti tagliarli e con un leggero riscaldamento quel danno guarirà, " dice Johnson.

Questo approccio supera il compromesso che di solito si verifica con i materiali autorigeneranti, che è che strutturalmente tendono ad essere relativamente deboli. In questo caso, il materiale può passare tra il più morbido, stato di autoguarigione e uno stato più rigido.

Materiali autorigeneranti

In questo documento, i ricercatori hanno utilizzato il polimero polietilenglicole (PEG) per realizzare il loro materiale, ma dicono che questo approccio potrebbe essere utilizzato con qualsiasi tipo di polimero. Le potenziali applicazioni includono materiali autorigeneranti, anche se per questo approccio per essere ampiamente utilizzato, palladio, un metallo raro e costoso, probabilmente dovrebbe essere sostituito da un'alternativa più economica.

"Qualsiasi cosa fatta di plastica o gomma, se potesse essere guarito quando è stato danneggiato, allora non dovrebbe essere buttato via. Forse questo approccio fornirebbe materiali con cicli di vita più lunghi, " dice Johnson.

Un'altra possibile applicazione per questi materiali è la somministrazione di farmaci. Johnson crede che potrebbe essere possibile incapsulare i farmaci all'interno delle gabbie più grandi, quindi esporle alla luce verde per farle aprire e rilasciare il loro contenuto. L'applicazione del semaforo verde potrebbe consentire la riconquista dei farmaci, fornendo un nuovo approccio alla somministrazione reversibile dei farmaci.

I ricercatori stanno anche lavorando alla creazione di materiali in grado di passare in modo reversibile da uno stato solido a uno stato liquido, e sull'uso della luce per creare motivi di sezioni morbide e rigide all'interno dello stesso materiale.