Northwestern University-forskare har utvecklat det mest exakta sättet att bygga polyrotaxaner, en mekaniskt låst polymer för glidringgeler, batterielektrodmaterial och plattformar för läkemedelsleverans.

En halsbandsliknande molekyl gjord med ringar gängade på en polymersnöre, polyrotaxaner är notoriskt svåra att konstruera. En ny metod från laboratoriet av Nobelprisvinnande kemisten Sir Fraser Stoddart använder två konstgjorda molekylära pumpar för att installera ringar på varje ände av en polymersträng. De små pumparna tillåter forskare att kontrollera exakt hur många ringar som passerar på polymeren.

"Dessa polyrotaxaner har aldrig tidigare gjorts med sådan precision, " Sa Stoddart. "Utan förmågan att exakt definiera polymerens struktur, du kan inte finjustera materialets övergripande egenskaper."

Tidningen kommer att publiceras på fredag, 12 juni i journalen Vetenskap .

Stoddart är styrelseprofessor vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Yunyan Qiu, en postdoktor i Stoddarts labb, är tidningens första författare.

Forskare har studerat polyrotaxaner i flera år, fascinerad av deras stretchiga mekaniska egenskaper och potentialen hos material som innehåller dem att självläka. Men, tills nu, det var omöjligt att bygga dessa lovande polymerer med ett exakt antal ringar.

"Traditionellt, forskare blandar ringarna och polymererna tillsammans, och de bildar inklusionskomplex genom icke-kovalenta interaktioner, " Sa Qiu. "Men du kunde inte veta hur många ringar som var gängade förrän du analyserade det senare med hjälp av kärnmagnetisk resonansmikroskopi. Människor kunde ungefär kontrollera andelen ringar i viss utsträckning, men det var fortfarande en uppskattning."

För att övervinna denna utmaning, forskarna i Northwestern använde en konstgjord molekylär pump, som utvecklades i Stoddarts laboratorium 2015. Den första i sitt slag, pumpen drar kraft från redoxreaktioner, driver molekyler från ett lågenergitillstånd till ett högenergitillstånd.

För att bygga polyrotaxaner, pumpen använder repetitiva redoxreaktioner antingen kemiskt eller elektrokemiskt, där en molekyl får eller förlorar elektroner. Initialt, pumpen – placerad i båda ändarna av polymersträngen – och ringarna är både positivt laddade och, Således, stöta bort varandra.

När man injicerar elektroner, enheter i både pumpar och ringar ändras från didikiska till radikala katjoniska tillstånd. Plötsligt, ringarna dras till pumphuvudena och träs på båda ändarna av polymersträngen. Efterföljande oxidation tar bort elektronerna, återställa de positiva laddningarna. Ringarna försöker fly men kan inte på grund av de positivt laddade enheterna i båda ändar av polymersträngen. Mild uppvärmning gör att ringen kan passera över en fartgupp på polymerkedjan. Pumpen upprepar denna process för att rekrytera ringar i par på polymersträngen.

"Vi kan rekrytera upp till 10 ringar på tråden, " sa Qiu. "Men vi tror att vi bara är begränsade av längden på den valda polymerkedjan. Om vi ​​fördubblar längden på polymeren, vi kan dubbla antalet ringar."

Teamet tror också att med denna metod, de kunde använda många olika typer av polymerer för att skapa otraditionella polyrotaxaner med ovanliga egenskaper.

"Jag är väldigt exalterad över den här forskningen, " Sa Stoddart. "Jag lade upp det där med några av de bästa tidningarna jag har varit förknippad med under de senaste 50 åren."