Återvinningsbar plast som innehåller ringformade polymerer kan vara en nyckel för att utveckla hållbara syntetiska material. Trots några lovande framsteg, forskare sa, en full förståelse för hur man bearbetar ringpolymerer till praktiska material är fortfarande svårfångat. I en ny studie, forskare identifierade en mekanism som kallas "trådning" som äger rum när en polymer sträcks - ett beteende som man inte sett tidigare. Denna nya insikt kan leda till nya bearbetningsmetoder för hållbara polymermaterial.

De flesta konsumentplaster är blandningar av linjära polymerer. Konceptet med plast tillverkad enbart av ringpolymerer - molekyler som bildar en sluten ring - erbjuder en lockande möjlighet till hållbarhet, som framgår av gruppen Autonomous Materials Systems vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology. När en enkelbindning som håller ringpolymerer samman bryter, hela molekylen faller isär, leder till sönderfall på begäran. Dock, att bearbeta sådana polymerer till praktiska material är fortfarande en utmaning, sa forskarna.

En studie från University of Illinois från 2013 visade att ringpolymerer kunde brytas med värme, men detta kommer till ett pris - den resulterande plasten skulle sannolikt bli instabil och börja brytas ner i förtid.

I den nya studien, U. of I.-forskarna Charles Schroeder och Yuecheng (Peter) Zhou undersöker flödesdynamiken hos DNA-baserade ring- och linjära polymerlösningar för att få fram ledtrådar om hur syntetiska polymerer interagerar under bearbetning. Deras resultat publiceras i tidskriften Naturkommunikation .

"Vi saknar en grundläggande förståelse för hur ringpolymerer sträcker sig och rör sig i flöde medan vi navigerar runt andra grannpolymerkedjor. Detta arbete gjorde att vi kunde undersöka dessa frågor på molekylär nivå, sa Schröder, en professor i kemi och biomolekylär teknik, Beckmaninstitutets forskare och studiemedförfattare.

I Schroeders labb, forskarna sträcker och pressar polymerer, får dem att flöda och tillåter direkt observation av beteendet hos enskilda molekyler med hjälp av enkelmolekylär fluorescensmikroskopi.

"Det finns en fluktuation i formen på ringpolymererna och detta beror på koncentrationen av linjära polymerer i lösningen, "sade Zhou, en doktorand, Beckman Institute forskare och huvudförfattare till studien. "Vi ser inte detta beteende i rena lösningar av ring- eller linjära polymerer, så detta säger oss att något unikt händer i blandade lösningar."

Genom att använda en kombination av direkta observationer av en molekyl och fysikaliska mätningar, teamet drog slutsatsen att förändringarna i formen av ringpolymererna inträffar eftersom linjära molekyler trär sig genom ringmolekylerna när de belastas, vilket får ringformen att fluktuera under vätskeflöde.

"Vi observerade detta beteende även när det finns en mycket låg koncentration av linjära polymerer i blandningen, ", sade Zhou. "Detta tyder på att det bara tar en mycket liten nivå av kontaminering för att orsaka detta fenomen."

Denna trådning av linjära polymerer genom ringpolymerer under stress är något som hade teoretiserats tidigare, med hjälp av bulkskalestudier av de fysiska egenskaperna, men nu har det observerats i molekylskala, sa forskarna.

"Massstudier maskerar vanligtvis vikten av vad som händer i mindre skala, " sa Schröder.

Hur dessa observationer kommer att omvandlas till vidareutveckling av hållbar konsumentplast är fortfarande oklart, sa forskarna. Dock, varje insikt i de grundläggande molekylära egenskaperna hos blandade polymerlösningar är ett steg i rätt riktning.

"För att göra ren ringpolymerplast till verklighet, vi måste förstå både blandade och rena lösningar på en grundläggande nivå, "Sa Schroeder." När vi väl kan ta reda på hur de fungerar, sedan kan vi gå vidare till att syntetisera dem och i slutändan hur vi använder dem i hållbar konsumentplast."