En polymer som kan brytas ner till sina molekylära byggstenar, som sedan kan återkombineras genom antingen uppvärmning eller kylning – men genom olika mekanismer i varje fall – har utvecklats av RIKENs kemister. Detta kan leda till återvinningsbar och hållbar plast som depolymeriseras vid behov.

Polymerer är långkedjiga molekyler som bildas genom att ansluta långa strängar av små molekyler som kallas monomerer. I konventionella polymerer, monomererna ansluter via kovalenta bindningar. Eftersom dessa band är så starka, det är extremt svårt att återvinna monomeren i slutet av en plasts livslängd.

Takuzo Aida vid RIKEN Center for Emergent Matter Science har utvecklat supramolekylära polymerer, där monomererna ansluter via lätt reversibla icke-kovalenta interaktioner.

"Vi ville inledningsvis bara syntetisera en termiskt stabil supramolekylär polymer med hjälp av en skivformad monomer med åtta vätebindande amidenheter i sidokedjorna, " säger Aida. Ett team som inkluderade hans tidigare kollegor Venkat Rao och Daigo Miyajima utvecklade en porfyrinbaserad monomer som bildade en stabil polymer i kolvätelösningsmedel, men som lätt depolymeriserades vid tillsats av en alkohol, vilket stör vätebindningarna som håller ihop polymeren.

Som förväntat, denna depolymeriserade blandning repolymeriserades vid kylning. "Men till vår stora förvåning, den depolymeriserade blandningen repolymeriserades också vid uppvärmning, "Minns Aida.

För att undersöka detta ovanliga fenomen, RIKEN-gruppen slog sig ihop med E. W. "Bert' Meijers grupp vid Eindhovens tekniska universitet, Nederländerna, där Mathijs Mabesoone hade utvecklat en beräkningsmetod för att analysera supramolekylär polymerisation.

Analysen visade att konkurrerande processer spelade. Vid kylning, de åtta alkoholmolekylerna som komplexbildar till varje monomer föll av på en gång för att möjliggöra repolymerisation. Om den depolymeriserade blandningen upphettades, dock, alkoholmolekylerna tappade en efter en.

"Innan beräkningsanalysen, ingen av oss hade förutspått att en så intressant dekomplexeringsmekanism fungerade, "Meijer säger." Sådana komplexa och konkurrenskraftiga molekylära processer är ett viktigt element i biologin, men har först nyligen erkänts inom supramolekylär kemi. Vår polymer är alltså ett steg mot att stänga klyftan mellan syntetiska och naturliga system. "

Upptäckten kan leda till utveckling av supramolekylära polymerer som är mycket stabila vid användning, men mycket dynamisk när materialet behöver återvinnas.

Det kan också göra industriell skala lösningsbearbetning av polymerer mindre energihungrig. Polymerlösningar är mycket viskösa och svåra att bearbeta, men den supramolekylära polymeren depolymeriseras vid rumstemperatur, och bör därför ha en låg viskositet.

"Detta kan orsaka ett paradigmskifte i polymerindustrin, "Aida säger." Nästa steg är att finjustera polymerstrukturen för att kontrollera det icke-polymeriserbara temperaturområdet och att designa mycket billiga monomerer. "