Den nyutvecklade gelén fäster på negativt laddade fasta ytor under starkt joniska förhållanden, som i havsvatten. Kredit:Hailong Fan et al., Naturkommunikation, 12 november, 2019
Forskare har arbetat med att utveckla lim för den marina miljön som är inspirerade av organismer som fixerar sig på undervattensytor, som musslor. Dessa katekolbaserade lim oxideras lätt och förlorar så småningom sin vidhäftningsförmåga, gör dem mindre än tillfredsställande för det avsedda syftet.
I den aktuella studien publicerad i Naturkommunikation , Hokkaido Universitys Hailong Fan och Jian Ping Gong med sina kollegor undersökte möjligheten att utveckla lim som använder elektrostatisk interaktion för att hålla fast vid negativt laddade ytor som stenar, glas, och metaller under havet.
Teamet byggde polymerkedjor gjorda av två typer av monomerer som byggstenar. Den ena innehåller en positivt laddad "katjonisk" rest och den andra innehåller en "aromatisk" ring. I biosystem, angränsande katjoniska-aromatiska aminosyrasekvenser i proteiner är kända för att underlätta elektrostatiska interaktioner i saltvatten. Det har varit utmanande, dock, att införa sådana sekvenser i syntetiska polymerer på grund av svårigheter att kontrollera monomersekvenser.
Gong och hennes kollegor upptäckte att de syntetiska polymererna med intilliggande katjoniska-aromatiska sekvenser lätt kunde tillverkas med en mycket skalbar, kostnadseffektiv metod som kallas "katjon-p-komplexstödd friradikalpolymerisation."
Forskarna fann att de två resttyperna i polymerer binds samman för att bilda en hydrogel som fäste väl på negativt laddade fasta ytor i saltvatten - vidhäftningsstyrkan närmade sig cirka 60 kPa. Hydrogeler sammansatta av en mängd olika katjoniska-aromatiska monomerkombinationer uppvisade snabba, stark, men reversibel vidhäftning till ytorna. Vidhäftningen var till stor del tack vare den elektrostatiska interaktionen mellan de positivt laddade resterna på polymererna och de negativt laddade ytorna. Men, intressant, polymerer gjorda av dessa katjoniska aromatiska monomerer utan intilliggande sekvenser var inte alls lika vidhäftande, vilket indikerar att intilliggande aromatiska rester förbättrar elektrostatisk interaktion i miljöer med hög jonstyrka.
"Vår sekvenskontrollerade polymera hydrogel borde ha lovande tillämpningar som lim för undervattensläckage, havssandbindemedel för att bevara marina miljöer, och koaguleringsmedel för betong i havet, " säger Gong. Deras studie kan också bana väg för ytterligare undersökningar av elektrostatiska interaktioner i högjoniska miljöer.
Den syntetiska metoden ger polymerer med intilliggande katjoniska (blå)–aromatiska (gröna) sekvenser. De två monomertyperna i polymerer binds samman för att bilda en hydrogel som fäste väl på negativt laddade fasta ytor i saltvatten. Kredit:Hailong Fan et al., Naturkommunikation, 12 november, 2019