Le plastiche riciclabili che contengono polimeri a forma di anello possono essere una chiave per lo sviluppo di materiali sintetici sostenibili. Nonostante alcuni promettenti progressi, ricercatori hanno detto, una piena comprensione di come trasformare i polimeri ad anello in materiali pratici rimane sfuggente. In un nuovo studio, i ricercatori hanno identificato un meccanismo chiamato "infilatura" che si verifica quando un polimero viene allungato, un comportamento mai visto prima. Questa nuova intuizione potrebbe portare a nuovi metodi di lavorazione per materiali polimerici sostenibili.

La maggior parte delle materie plastiche di consumo sono miscele di polimeri lineari. Il concetto di plastica composta esclusivamente da polimeri ad anello, molecole che formano un anello chiuso, presenta un'allettante opportunità di sostenibilità, come dimostrato dal gruppo Autonomous Materials Systems presso il Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Una volta che un singolo legame che tiene insieme i polimeri dell'anello si rompe, l'intera molecola cade a pezzi, portando alla disintegrazione su richiesta. Però, la trasformazione di tali polimeri in materiali pratici rimane una sfida, hanno detto i ricercatori.

Uno studio condotto dall'Università dell'Illinois del 2013 ha mostrato che i polimeri ad anello potrebbero essere rotti con il calore, ma questo ha un prezzo:la plastica risultante diventerebbe probabilmente instabile e comincerebbe a rompersi prematuramente.

Nel nuovo studio, I ricercatori dell'Università di I. Charles Schroeder e Yuecheng (Peter) Zhou esaminano le dinamiche di flusso delle soluzioni di anelli a base di DNA e polimeri lineari per scoprire indizi su come interagiscono i polimeri sintetici durante la lavorazione. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Ci manca una comprensione fondamentale di come i polimeri ad anello si allungano e si muovono nel flusso mentre navigano attorno ad altre catene polimeriche vicine. Questo lavoro ci ha permesso di sondare queste domande a livello molecolare, " disse Schroeder, professore di ingegneria chimica e biomolecolare, Ricercatore del Beckman Institute e coautore dello studio.

Nel laboratorio di Schroeder, i ricercatori allungano e comprimono i polimeri, facendoli fluire e consentendo l'osservazione diretta del comportamento delle singole molecole mediante microscopia a fluorescenza a singola molecola.

"C'è una fluttuazione nella forma dei polimeri ad anello e questo dipende dalla concentrazione dei polimeri lineari nella soluzione, " disse Zhou, uno studente laureato, Ricercatore del Beckman Institute e autore principale dello studio. "Non vediamo questo comportamento in soluzioni pure di polimeri ad anello o lineari, quindi questo ci dice che sta accadendo qualcosa di unico nelle soluzioni miste."

Utilizzando una combinazione di osservazioni dirette di singole molecole e misurazioni fisiche, il team ha concluso che i cambiamenti nella forma dei polimeri dell'anello si verificano perché le molecole lineari si infilano attraverso le molecole dell'anello quando vengono sollecitate, facendo fluttuare la forma dell'anello sotto il flusso del fluido.

"Abbiamo osservato questo comportamento anche quando c'è una concentrazione molto bassa di polimeri lineari nella miscela, " Ha detto Zhou. "Questo suggerisce che ci vuole solo un livello molto minimo di contaminazione per causare questo fenomeno."

Questa filettatura di polimeri lineari attraverso polimeri ad anello durante lo stress è qualcosa che era stato teorizzato in precedenza, utilizzando studi su larga scala delle proprietà fisiche, ma ora è stato osservato su scala molecolare, hanno detto i ricercatori.

"Gli studi di massa in genere mascherano l'importanza di ciò che sta accadendo su scala ridotta, " ha detto Schroeder.

Non è chiaro come queste osservazioni si tradurranno in un ulteriore sviluppo della plastica di consumo sostenibile, hanno detto i ricercatori. Però, qualsiasi comprensione delle proprietà molecolari fondamentali delle soluzioni di polimeri misti è un passo nella giusta direzione.

"Per trasformare in realtà la plastica polimerica ad anello puro, abbiamo bisogno di comprendere soluzioni sia miste che pure a livello fondamentale, " ha detto Schroeder. "Una volta che riusciremo a capire come funzionano, quindi possiamo passare alla loro sintesi e, infine, a come utilizzarli nella plastica di consumo sostenibile".