En teknik som gör det möjligt för forskare att titta på rörelsen hos enskilda molekyler i en polymer har utvecklats av KAUST:den utmanar nuvarande tänkande om polymerfysik och kan leda till nya material som kan skräddarsys för specifika uppgifter.

Polymerer är en stor och varierad familj av material som sträcker sig från hårt, styv plast till flexibel, stretchiga geler. På mikroskopisk nivå, polymerer består av långkedjiga molekyler som trasslar ihop sig som en nanoskala med spagetti. Egenskaperna hos ett polymermaterial härrör från hur dess komponentpolymerkedjor rör sig och interagerar med varandra. Tills nu, forskares förmåga att till fullo förstå polymeregenskaperna försvårades eftersom det var omöjligt att observera individuell polymerkedjerörelse.

Satoshi Habuchi och hans team har övervunnit denna begränsning med hjälp av fluorescensmikroskopi med superupplösning. "Fluorescensavbildning är en utmärkt teknik för att fånga realtidsbeteende hos dynamiska system, "säger Maram Abadi, medlem i Habuchis team.

För polymerstudien, Habuchi och hans team skapade en polymer med fluorescerande taggar fästa vid flera punkter längs kedjan. Även om den rumsliga upplösningen för konventionell fluorescensavbildning är begränsad till 200–300 nanometer-otillräcklig för att spåra dynamiken i polymerkedjan-erbjuder fluorescensavbildning med hög upplösning betydligt skarpare 10–20 nanometer upplösning. Superupplösning uppnås genom att fånga 10, 000 separata fluorescensmikroskopibilder inom några sekunder, och sedan använda en dator för att kombinera dem för att generera en enda superupplöst bild. Tekniken gav sina ursprungliga upptäckare Nobelpriset i kemi 2014.

Habuchi och hans team kombinerade denna teknik med en enkelmolekylär spårningsalgoritm som de nyligen utvecklat. "Det gav ett kraftfullt verktyg för att undersöka intrasslad polymerdynamik på enmolekylnivå, Säger Abadi.

Verktyget visade att polymerdynamiken är mer komplex än man tidigare trott. Polymerdynamik har modellerats med hjälp av reptationsteori där hela polymerkedjan anses röra sig som en enda enhet, liknar en orm, vilket förklarar termens härledning från ordet reptil. Superupplöst fluorescerande mikroskopi avslöjar att polymeren faktiskt genomgår kedjelägesberoende rörelse, med mest rörelse som sker i kedjeändarna och minst rörelse i mitten.

Denna upptäckt visar att teorin om polymerfysik måste revideras, Säger Abadi. "Eftersom materialets reologiska egenskaper uppstår mikroskopiskt från intrasslad polymerdynamik, en översyn av reptationsteorin skulle ha en bred inverkan, inte bara på grundläggande polymerfysik utan också på utvecklingen av ett brett spektrum av polymernanomaterial, " hon säger.

Teamet planerar nu att tillämpa sin teknik på mer komplexa system, inklusive polymergeler och nätverk av biomolekyler i celler.