ETH-forskare har utvecklat en ny metod för att framställa polymerer med olika längder. Detta banar väg för nya klasser av polymermaterial att användas i tidigare otänkbara tillämpningar.

Det är svårt att föreställa sig vardagen utan material gjorda av syntetiska polymerer. Kläder, bildelar, datorer eller förpackningar – de består alla av polymermaterial. Många polymerer finns i naturen, för, såsom DNA eller proteiner.

Polymerer är byggda på en universell arkitektur:de är sammansatta av grundläggande byggstenar som kallas monomerer. Polymersyntes innebär att monomerer binds samman för att bilda långa kedjor. Föreställ dig att trä glaspärlor på ett snöre och skapa kedjor av olika längd (och vikt).

Polymerisationsprocesser med gränser

En viktig industriell process för att framställa polymerer är friradikalpolymerisation (FRP). Varje år använder den kemiska industrin FRP för att producera 200 miljoner ton polymerer av olika typer, såsom polyakryl, polyvinylklorid (PVC) och polystyren.

Även om denna produktionsmetod har många fördelar, det har också sina begränsningar. FRP producerar en okontrollerbar blandning av otaliga polymerer av olika längd; med andra ord, dess spridning är hög. Dispersitet är ett mått på hur enhetlig eller ojämn längden på polymerkedjorna i ett material är. Materialets egenskaper bestäms till stor del av denna dispersitet.

När det gäller vanliga polymerer, polymerer med både låg och hög dispersitet krävs. Faktiskt, för många högteknologiska tillämpningar inklusive läkemedel eller 3D-utskrift, hög spridning kan till och med vara en fördel.

Polymerer med nya egenskaper

Dock, om kemister vill tillverka polymermaterial med mycket specifika egenskaper, de måste först och främst kunna justera dispersiteten efter önskemål. Detta låter dem producera ett brett utbud av polymermaterial som antingen innehåller enhetliga polymerarter, har en låg spridning, eller är starkt dispergerade med ett stort antal polymerer av olika längd. Tills nu, detta har knappast varit möjligt.

En grupp forskare ledd av Athina Anastasaki, Professor i polymermaterial vid institutionen för materialvetenskap, har nu utvecklat en metod för att kontrollera radikal polymerisation, vilket gör det möjligt för forskare att systematiskt och fullständigt kontrollera spridningen av polymermaterial. Resultaten av deras forskning publicerades nyligen i tidskriften Chem .

Förr, för att åtminstone till viss del kunna kontrollera radikalpolymerisationsprocessen, kemister skulle använda en enda katalysator. Även om detta säkerställer att de resulterande polymerkedjorna blir jämnt långa, det tillåter inte att den totala dispersiteten kontrolleras som önskat.

Två katalysatorer gör susen

Nu använder ETH-forskarna samtidigt två katalysatorer med olika effekter - den ena är mycket aktiv, den andra endast svagt aktiv. Detta gjorde det möjligt för dem att justera dispersiteten exakt som en funktion av förhållandet i vilket de blandade de två katalysatorerna. Om den mer aktiva katalysatorn var rikligare, mer enhetliga polymerer producerades, vilket innebar att det resulterande materialet hade låg dispersitet. Om, dock, den mindre aktiva katalysatorn var rikligare, ett stort antal olika polymermolekyler bildades.

Detta arbete innebär att Anastasaki och hennes team har skapat en grund för utvecklingen av nya polymermaterial. Dessutom, deras process är också skalbar; det fungerar inte bara i laboratoriet, men även när det appliceras på större mängder ämnen. En annan fördel med denna metod är att även polymerer med hög dispersitet kan fortsätta växa när själva polymerisationsprocessen är klar – något som tidigare ansågs omöjligt.

Tillvägagångssättets höga effektivitet och skalbarhet har redan väckt intresse från industrin. Polymerer som produceras med den nya processen skulle kunna användas inom medicin, vacciner, kosmetika eller 3D-utskrift.