Material som sätter ihop sig själva och sedan helt enkelt försvinner i slutet av sin livstid är ganska vanliga i naturen. Forskare vid Münchens tekniska universitet (TUM) har nu framgångsrikt utvecklat supramolekylära material som sönderfaller vid en förutbestämd tidpunkt - en funktion som kan användas i många applikationer.

Plastflaska, Tomma burkar, gamla leksaker, trasiga t-shirts och slitna mobiltelefoner - dag för dag, mänskligheten producerar miljontals ton avfall. Hur kan vi förhindra att vår planet kvävs i soporna?

Till denna dag, återvinning är den valda metoden. Men det är dyrt:"Än så länge, de flesta konstgjorda ämnen är kemiskt mycket stabila:för att bryta ner dem tillbaka till sina komponenter, man måste spendera mycket energi, " förklarar Job Boekhoven, professor i supramolekylär kemi vid TUM. Inspirerad av biologiska processer går kemisten en annan väg.

"Naturen producerar inte soptippar. Istället, biologiska celler syntetiserar ständigt nya molekyler från återvunna. Vissa av dessa molekyler sätts samman till större strukturer, så kallade supramolekylära sammansättningar som bildar cellens strukturella komponenter. Denna dynamiska ensemble inspirerade oss att utveckla material som gör sig av med sig själva när de inte längre behövs. "

Naturen som modell

En av de viktigaste skillnaderna mellan konstgjorda ämnen och de flesta levande biologiska material är deras energihantering:konstgjorda material är i jämvikt med sin miljö. Det betyder att de inte utbyter molekyler och energi, förblir alltså som de är.

Naturen fungerar enligt en annan princip:levande biologiska material, som hud och ben, men även celler, inte är i jämvikt med sin omgivning. En konstant tillförsel av energi och byggstenar är nödvändig för deras konstruktion, underhåll och reparation.

"Ett typiskt exempel på en energikälla är adenosintrifosfat, ATP för kort, " förklarar Boekhoven. "Så länge det finns tillräckligt med energi, skadade komponenter och hela celler kan brytas ner och ersättas av nya, annars dör organismen och sönderfaller till sina grundläggande byggstenar."

I slutändan finns det bara molekylärt damm

De nya materialen som Boekhoven utforskade med ett tvärvetenskapligt team av kemister, fysiker, och ingenjörer vid TU München är baserade på den naturliga modellen:de molekylära byggstenarna är initialt fritt rörliga, men om energi tillförs i form av högenergimolekyler, supramolekylära strukturer bildas.

Dessa sönderfaller självständigt när energin är slut. Således, livslängden kan fördefinieras av mängden tillsatt "bränsle". I laboratoriet, materialen kan ställas in för att automatiskt nedbrytas efter flera minuter till flera timmar. Dessutom, efter en cykel, det nedbrutna materialet kan återanvändas genom att helt enkelt lägga till ytterligare en sats högenergimolekyler.

Från labb till praktik

Forskarna designade olika anhydrider som samlas till kolloider, supramolekylära hydrogeler eller bläck. I dessa material omvandlar ett kemiskt reaktionsnätverk dikarboxylater till metastabila anhydrider som drivs av den irreversibla förbrukningen av karbodiimid som "bränsle". På grund av deras metastabila karaktär, anhydriderna hydrolyserar till sina ursprungliga dikarboxylater med halveringstider inom intervallet sekunder till flera minuter.

Eftersom molekylerna bildar väldigt olika strukturer beroende på deras kemiska sammansättning, många tillämpningsmöjligheter uppstår. Sfäriska kolloider, till exempel, kan laddas med vattenolösliga molekyler – dessa skulle kunna användas för att transportera läkemedel mot cancer direkt till tumörcellen. I slutet av deras uppdrag, kolloiderna skulle självständigt lösas upp, och därigenom frisätter drogerna lokalt.

Andra byggstenar sätts samman till långa fibrösa strukturer som omvandlar vätskor till geler och kan användas för att stabilisera nytransplanterad vävnad under en förutbestämd tid, varefter kroppen skulle ta över denna funktion. Och, bläck med exakt definierad hållbarhet skulle kunna tillverkas av molekyler som sätts samman till stjärnformade enheter.

Kommer det att gå att bygga supramolekylära maskiner eller mobiltelefoner som helt enkelt försvinner när de inte längre behövs? "Det här kanske inte är helt omöjligt, " betonar Boekhoven, "men det är fortfarande en lång väg kvar. Just nu jobbar vi med grunderna."