MIT-forskare har designat ett polymermaterial som kan ändra sin struktur som svar på ljus, omvandlas från en styv substans till en mjukare som kan läka sig själv när den skadas.

"Du kan byta materialtillstånd fram och tillbaka, och i var och en av dessa stater, materialet fungerar som om det vore ett helt annat material, även om den är gjord av alla samma komponenter, säger Jeremiah Johnson, en docent i kemi vid MIT, en medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Programmet in Polymers and Soft Matter, och ledaren för forskargruppen.

Materialet består av polymerer fästa på en ljuskänslig molekyl som kan användas för att förändra de bindningar som bildas i materialet. Sådana material kan användas för att belägga föremål som bilar eller satelliter, ger dem förmågan att läka efter att ha blivit skadade, även om sådana applikationer fortfarande ligger långt fram i tiden, säger Johnson.

Tidningens huvudförfattare, som visas i 18 juli-numret av Natur , är MIT doktorand Yuwei Gu. Andra författare är MIT doktorand Eric Alt, MIT biträdande professor i kemi Adam Willard, och Heng Wang och Xiaopeng Li vid University of South Florida.

Kontrollerad struktur

Många av egenskaperna hos polymerer, såsom deras styvhet och deras förmåga att expandera, styrs av sin topologi - hur komponenterna i materialet är ordnade. Vanligtvis, när ett material har bildats, dess topologi kan inte ändras reversibelt. Till exempel, en gummiboll förblir elastisk och kan inte göras spröd utan att ändra dess kemiska sammansättning.

I det här pappret, forskarna ville skapa ett material som reversibelt kunde växla mellan två olika topologiska tillstånd, vilket inte har gjorts tidigare.

Johnson och hans kollegor insåg att en typ av material de designade för några år sedan, kända som polymermetall-organiska burar, eller polyMOC, var en lovande kandidat för detta tillvägagångssätt. PolyMOC består av metallinnehållande, burliknande strukturer sammanfogade av flexibla polymerlinkers. Forskarna skapade dessa material genom att blanda polymerer fästa vid grupper som kallas ligander, som kan binda till en metallatom.

Varje metallatom - i det här fallet, palladium – kan bilda bindningar med fyra ligandmolekyler, skapa stela burliknande kluster med varierande förhållanden av palladium till ligandmolekyler. Dessa förhållanden bestämmer storleken på burarna.

I den nya studien, forskarna tänkte designa ett material som reversibelt skulle kunna växla mellan två olika stora burar:en med 24 palladiumatomer och 48 ligander, och en med tre palladiumatomer och sex ligandmolekyler.

För att uppnå det, de inkorporerade en ljuskänslig molekyl som kallas DTE i liganden. Storleken på burarna bestäms av vinkeln på bindningar som en kvävemolekyl på liganden bildar med palladium. När DTE utsätts för ultraviolett ljus, det bildar en ring i liganden, vilket ökar storleken på den vinkel vid vilken kväve kan binda till palladium. Detta gör att klustren går isär och bildar större kluster.

När forskarna lyser grönt ljus på materialet, ringen är bruten, bindningsvinkeln blir mindre, och de mindre klustren ombildas. Processen tar cirka fem timmar att slutföra, och forskarna fann att de kunde utföra vändningen upp till sju gånger; med varje vändning, en liten andel av polymererna lyckas inte byta tillbaka, vilket så småningom får materialet att falla isär.

När materialet är i det lilla klustertillståndet, den blir upp till 10 gånger mjukare och mer dynamisk. "De kan flyta när de värms upp, vilket betyder att du kan skära dem och vid mild uppvärmning kommer skadan att läka, " säger Johnson.

Detta tillvägagångssätt övervinner den kompromiss som vanligtvis sker med självläkande material, vilket är att de strukturellt tenderar att vara relativt svaga. I detta fall, materialet kan växla mellan det mjukare, självläkande tillstånd och ett stelare tillstånd.

Självläkande material

I det här pappret, forskarna använde polymeren polyetylenglykol (PEG) för att tillverka sitt material, men de säger att detta tillvägagångssätt kan användas med vilken typ av polymer som helst. Potentiella applikationer inkluderar självläkande material, även om detta tillvägagångssätt ska användas i stor utsträckning, palladium, en sällsynt och dyr metall, skulle sannolikt behöva ersättas av ett billigare alternativ.

"Allt gjort av plast eller gummi, om det kunde läkas när det var skadat, då skulle den inte behöva slängas. Kanske skulle detta tillvägagångssätt ge material med längre livscykler, " säger Johnson.

En annan möjlig tillämpning för dessa material är läkemedelstillförsel. Johnson tror att det kan vara möjligt att kapsla in droger i de större burarna, utsätt dem sedan för grönt ljus för att få dem att öppna sig och släppa ut innehållet. Att använda grönt ljus kan möjliggöra återfånga av drogerna, tillhandahålla ett nytt tillvägagångssätt för reversibel läkemedelstillförsel.

Forskarna arbetar också med att skapa material som reversibelt kan växla från ett fast tillstånd till ett flytande tillstånd, och på att använda ljus för att skapa mönster av mjuka och styva sektioner i samma material.