Un nuovo approccio allo studio dei polimeri coniugati ha permesso a un gruppo di ricerca finanziato dall'esercito di misurare, per la prima volta, le proprietà meccaniche e cinetiche delle singole molecole durante la reazione di polimerizzazione. Le intuizioni acquisite potrebbero portare a materiali elettronici morbidi più flessibili e robusti, come monitor sanitari e robotica morbida.

I polimeri coniugati sono essenzialmente gruppi di molecole infilate lungo una spina dorsale che possono condurre elettroni e assorbire la luce. Questo li rende perfetti per la creazione di optoelettronica morbida, come dispositivi elettronici indossabili; però, flessibili come sono, questi polimeri sono difficili da studiare alla rinfusa perché si aggregano e cadono dalla soluzione.

"I polimeri coniugati sono un'affascinante classe di materiali grazie alle loro proprietà ottiche ed elettroniche intrinseche che sono dettate dalla loro struttura polimerica, " ha detto la dottoressa Dawanne Poree, responsabile del programma, Comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti, noto come DEVCOM, Laboratorio di ricerca dell'esercito. "Questi materiali sono molto importanti per una serie di applicazioni di interesse per l'esercito e il Dipartimento della Difesa, tra cui l'elettronica portatile, dispositivi indossabili, sensori, e sistemi di comunicazione ottica. Ad oggi, Sfortunatamente, è stato difficile sviluppare polimeri coniugati per applicazioni mirate a causa della mancanza di strumenti praticabili per studiare e correlare le loro relazioni struttura-proprietà".

Con il finanziamento dell'esercito, i ricercatori della Cornell University hanno utilizzato un approccio che hanno aperto la strada ad altri polimeri sintetici, chiamate pinzette magnetiche, che ha permesso loro di allungare e torcere singole molecole del polimero coniugato poliacetilene. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista chimica .

"Attraverso l'uso di nuovi approcci di manipolazione e imaging di singole molecole, questo lavoro ha fornito le prime osservazioni sui comportamenti a catena singola nei polimeri coniugati che pone le basi per la progettazione e la lavorazione razionale di questi materiali per consentire un'applicazione diffusa, " ha detto Pori.

I precedenti sforzi per affrontare la solubilità dei polimeri coniugati si sono spesso basati sulla derivatizzazione chimica, in cui le strutture sono modificate con gruppi funzionali di atomi. Però, questo approccio può influenzare le proprietà innate del polimero.

"Il polimero coniugato è davvero un prototipo, " ha detto il dottor Peng Chen, il Peter J.W. Debye professore di chimica e biologia chimica alla Cornell. "Lo modifichi sempre per adattarlo alle applicazioni. Speriamo che tutto ciò che abbiamo misurato:le proprietà fondamentali della cinetica di sintesi, le proprietà meccaniche, diventano numeri di riferimento per le persone su cui pensare ad altri polimeri della stessa categoria."

Nel 2017, Il gruppo di Chen è stato il primo a utilizzare la tecnica di misurazione delle pinzette magnetiche per studiare la polimerizzazione vivente, visualizzandolo a livello di singola molecola. La tecnica era già stata utilizzata in campo biofisico per lo studio del DNA e delle proteine, ma nessuno lo aveva esteso con successo al regno dei polimeri sintetici.

Il processo funziona fissando un'estremità di un filo di polimero a un vetrino coprioggetto e l'altra estremità a una minuscola particella magnetica. I ricercatori utilizzano quindi un campo magnetico per manipolare il polimero coniugato, allungandolo o torcendolo, e misurare la risposta di una singola catena polimerica che cresce.

Gli importi sono così piccoli, rimangono solubili in soluzione, nel modo in cui gli importi all'ingrosso normalmente non lo farebbero.

Il team ha misurato la lunghezza delle catene di polimeri coniugati, che consistono in centinaia di migliaia di unità monomeriche, crescere in tempo reale. Hanno scoperto che questi polimeri aggiungono un nuovo monomero al secondo, una crescita molto più rapida rispetto ai loro analoghi non coniugati.

"Abbiamo scoperto che crescendo in tempo reale, questo polimero forma intrecci conformazionali, " Ha detto Chen. "Tutti i polimeri che abbiamo studiato formano entanglement conformazionali, ma per questo polimero coniugato questo intreccio conformazionale è più libero, permettendogli di crescere più velocemente."

Tirando e allungando i singoli polimeri coniugati, le cosiddette misure di estensione della forza, i ricercatori sono stati in grado di valutare la loro rigidità e comprendere meglio come possono piegarsi in direzioni diverse pur rimanendo coniugati e mantenendo la conduttività elettronica.

Hanno anche scoperto che i polimeri mostravano diversi comportamenti meccanici da una singola catena ai successivi comportamenti che erano stati previsti dalla teoria ma mai osservati sperimentalmente.

I risultati evidenziano sia l'unicità dei polimeri coniugati per una vasta gamma di applicazioni, sia la forza dell'utilizzo di una tecnica di manipolazione e imaging di singole molecole su materiali sintetici.

"Ora abbiamo un nuovo modo per studiare come vengono prodotti chimicamente questi polimeri coniugati e qual è la proprietà meccanica fondamentale di questo tipo di materiale, " Chen ha detto. "Possiamo studiare come queste proprietà fondamentali cambiano quando si inizia ad adattarle per scopi applicativi. Forse puoi renderlo più flessibile meccanicamente e allungare il polimero, o regolare la condizione di sintesi per sintetizzare il polimero in modo più veloce o più lento".