Från däck till kläder till schampo, många allestädes närvarande produkter tillverkas med polymerer, stora kedjeliknande molekyler gjorda av mindre underenheter, kallas monomerer, sammanbundna. Nu, ett team av forskare från University of Delaware och University of Pennsylvania, med primärt stöd från U.S. Department of Energy Biomolecular Materials Program, har skapat en ny grundläggande enhet av polymerer som kan inleda en ny era av materialupptäckt.

Forskarna designade och skapade styva, självmonterad, anpassningsbara polymerkedjor genom att länka ihop nya byggstenar som kallas bundlemers - en term som myntats på UD. De beskrev nyligen sitt arbete i tidningen Natur .

För att skapa samlare, teamet samlar ihop fyra individuella peptider, själva korta kedjor av aminosyror, i nanoskopiska cylindrar. Bundlemer -cylindrarna kopplas sedan samman, tillsammans från ände till ände genom en mycket effektiv och kontrollerad serie kemiska reaktioner som kallas "klick" -kemi. De resulterande polymerkedjorna är styva, stavliknande molekyler som är baserade i biologi men som inte finns i naturen. Bundlemer -kedjor kan sedan modifieras med komponenter som syntetiska polymerer eller oorganiska nanopartiklar för att skapa nya hybridnanomaterial.

"Det finns en grundläggande förutsättning i material att om du kan styra funktion och struktur, då kan du i princip bygga vad som helst, "sa Chris Kloxin, studieförfattare och biträdande professor i materialvetenskap och teknik och kemisk och biomolekylär teknik vid UD. "Vi har en mycket väldefinierad strukturell enhet, den här samlaren, som vi har möjlighet att lägga till kemisk funktionalitet på var som helst. "

På grund av deras styvhet och anpassningsbarhet, buntmaskiner kan användas för att designa nya material med ett brett spektrum av applikationer, från högpresterande fibrer till engångsplast till biologiska, läkemedel som använder biologiska komponenter i stället för traditionella kemier. Biofarmaceutisk forskning och utveckling är ett växande expertområde vid University of Delaware, hem för National Institute of Innovation in Biopharmaceutical Manufacturing (NIIMBL).

Bundlemers styvhet kan också göra dessa material användbara som substitut för kända starka material som stål i broar, siden i fallskärmar eller Kevlar i skottsäkra västar.

Praktiskt taget varje dag, medförfattare Darrin Pochan, ordförande för institutionen för materialvetenskap och teknik vid UD, och Kloxin kommer med en ny ansökan att driva - tillräckligt för att hålla dem och deras elever upptagna i åratal.

"Vår idé är att dessa bundlare verkligen är byggstenar i ordets alla bemärkelser, "sa Pochan." Vi ska bygga många, många material och teknik ur dessa byggstenar. "

Teamet har redan ansökt om ett patent och planerar att lämna in fler.

Bundelmakers ursprung

Pochan och medförfattare Jeffery Saven, professor i kemi vid University of Pennsylvania, har samarbetat sedan 2012, när de fick ett National Science Foundation DMREF -bidrag för att studera designmaterial. Kristi Kiick, Blå och guld framstående professor i materialvetenskap och teknik, var också en medarbetare på det projektet.

Savens beräkningskemigrupp designar och modellerar specifika peptidsekvenser för att identifiera lovande kandidater för syntes och karakterisering. "Vår grupp är med och utformar och identifierar vad vi ska göra, sedan modellera dessa system för att försöka förstå deras stabilitet, "Saven sa om sin grupps roll i samarbetet.

Saven samarbetar om nya molekyldesigner med Pochan och nu Kloxin, som gick med i samarbetet senare, där de diskuterar för- och nackdelar med olika peptidsekvenser och hur man bäst skapar ett nytt material med en specifik egenskap.

Sedan, vid UD, Pochan och Kloxin tillverkar materialen.

"Det är bra att ha feedback om viktiga funktioner att ta med i beräkningarna, "sa Saven om vikten av iterativa diskussioner mellan grupper på UD och Penn.

Pochan sa:"Vi beräknar och konstruerar sedan experimentellt molekylerna för att göra monteringen i byggnadsmaterialets byggstenar, "sade Pochan." Vi är inte begränsade till naturens verktygslåda. "

Fortfarande, trots noggrann planering, de första experimentella resultaten överraskade Pochan och Kloxin - på ett bra sätt. När de först såg mätningar av bundlemerkedjans styvhet, de antog att något var fel. Vanligtvis är polymerkedjor lösa och flexibla som spagetti, men polymerer som skapats från bundlemerer är mer som långa, tunn, robusta stavar.

"Styvheten var ganska överraskande och fantastisk, "sa Pochan. Det var inte ett misstag. Ytterligare tester visade att buntmaskiner har en mycket högre styvhet i vikt än nästan alla andra polymerer, såsom syntetiska polymerer och DNA.

Efter att ha syntetiserat buntsamlare, forskargruppen karakteriserade materialen genom att använda transmissionselektronmikroskopi och kryogen transmissionselektronmikroskopi i Keck Center for Advanced Microscopy and Microanalysis. De bekräftade också storleken och strukturen hos buntmännen genom experiment med små vinkel neutronspridning vid NIST Center for Neutron Research, som har ett samarbetsavtal med University of Delaware för Center for Neutron Science.

Jeff Caplan, konfokal mikroskopi -expert och chef för BioImaging vid Delaware Biotechnology Institute, utförde Stokastisk optisk rekonstruktionsmikroskopi (STORM) Imaging för att visualisera små segment inom paketet. Caplan är medförfattare på Natur papper.

Detta projekt hade inte varit möjligt utan huvudutredarnas kompletterande expertis. Saven utmärker sig i beräkningar och teori. Kloxin utmärker sig i polymerkemi. Pochan utmärker sig i syntes och karaktärisering av material.

"Vi har gott om överlappning med vår expertis, men poängen är att utan en av oss, inget av detta skulle ha hänt, "sa Pochan." Utan faciliteter, till exempel UD:s Keck Microscopy Lab, BioImaging Center vid Delaware Biotechnology Institute, och vårt förhållande till NIST och Center for Neutron Research, denna typ av arbete skulle inte hända. "

Samlarnas framtid

Nästa, teamet syftar till att göra buntsamlare mer tillgängliga, lättare att syntetisera, och skalbar.

Forskare runt om i världen kan använda bundlare för att hantera en mängd olika stora utmaningar inom teknik. "Det här är verktyg som alla kan använda, oavsett om du är kemist, ingenjör, eller fysiker, "sa Pochan." Det är till och med svårt att tänka sig ett likvärdigt material eller experimentellt verktyg som människor använder i stor utsträckning. Det är som en verktygslåda för alla att utforma framtida saker. "