Forskare i Japan har lyckats skapa en ny typ av helikoid supramolekylär polymer. Processen och mekanismen för genereringen av dess struktur observerades med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM); den helikoida strukturen växte spontant efter att två olika monomerer blandats. Resultaten av studien, som publicerades i Naturkommunikation den 1 april, 2020 kan leda till design av ursprungliga mjuka material.

På senare år har forskare har uppmärksammat supramolekylära polymerer som bildas genom icke-kovalenta bindningar i syfte att utveckla smarta mjuka material. Shiki Yagai, en professor vid Chiba University säger, "Supramolekylära polymerer har olika funktioner. De har självreparerande förmåga och bryts lätt ned, så genom exakt design av deras molekylära strukturer kommer vi att kunna skapa material med högre miljökänslighet."

Under många år, Prof. Yagai och hans forskargrupp har arbetat med att designa supramolekylära polymerer som har unika egenskaper. Goda exempel på dessa nya polymerer är självvikbara supramolekylära polymerer och chimära fibrer som kombinerar helixar och linjära kedjor.

I denna forskning, teamet lyckades skapa en supramolekylär polymer vars spiralformade struktur sträcker sig spontant. Förlängningen startas genom att bara blanda två molekyler som skiljer sig åt i en syreatom. Genom att observera dess nedbrytningsprocess, de upptäckte att den nya supramolekylära polymeren har den unika egenskapen att ändra sin kemiska struktur som svar på temperaturen.

När de blandade två naftalenmolekyler, sexledade vätebundna supramolekylära komplex (rosetter) bestående av monomersubenheter bildade ett amorft koaggregat (Fig. 1-A). Dock, när den lämnas i rumstemperatur, integrerade rosettsubenheter i vilka två molekyler omväxlande är anordnade och bildas gradvis i blandningen, och detta utvecklades spontant till en vacker spiralformad struktur (Fig.1-B). Teamet lyckades kontrollera sampolymerisationen med hjälp av elektrostatisk interaktion mellan de två molekylerna, och observerade bildandet av helikoiden med användning av AFM. Spektralmätningar visade att denna strukturella förändring av högre ordning berodde på sammansättningen av rosettenheterna som utgör polymeren. Homopolymerer som endast består av elektronrika molekyler (röda molekyler i fig. 1) stabiliseras energiskt genom att bilda en stabil ringstruktur, och integrerade rosetter stabiliseras ytterligare genom koaggregation. Bindningar mellan rosetterna stärks av energetisk stabilisering och de växer till en spiralformad struktur istället för att stanna vid ringar.

Dessutom, ett unikt termiskt svar där de helikoida supramolekylära sampolymererna snabbt kollapsade vid 45 ºC till 50 ºC upptäcktes. Detta fenomen skiljer sig helt från det termiska nedbrytningsbeteendet hos allmänna supramolekylära polymerer, som gradvis sönderfaller från terminalen eller defektplatsen.

"Med hjälp av denna självsorterande strukturella förändring, det ska vara möjligt att skapa nya mjuka material som snabbt reagerar på olika miljöer, " säger Prof Yagai.