De ser ut som mikroskopiska flaskborstar:Polymerer med ryggrad och toar av sidoarmar. Denna molekylära design ger dem ovanliga förmågor:Till exempel, de kan binda aktiva medel och släppa dem igen när temperaturen ändras. Med hjälp av neutroner, ett forskargrupp från Tekniska universitetet i München (TUM) har nu lyckats avslöja förändringarna i den interna strukturen under processen.

"Flaskborstpolymerernas struktur, som bara är nanometer stora, kan inte undersökas med klassiska optiska metoder:Det kan ses att en vattenlösning som innehåller dessa polymerer blir grumlig vid en viss temperatur. Men varför är det så, och hur ryggraden och sidoarmarna sträcker sig ut i vattnet eller drar ihop sig, ännu inte klargjorts, "rapporterar professor Christine Papadakis.

Det finns en enkel anledning till varför forskare skulle vilja veta mer om flaskborstpolymerers inre liv:De fluffiga molekylerna, som består av olika polymerkedjor och plötsligt förändrar deras löslighet i vatten vid en viss temperatur, är lovande kandidater för en mängd olika applikationer.

Till exempel, de kan användas som katalysatorer för att påskynda kemiska reaktioner, som molekylära omkopplare för att öppna eller stänga små ventiler, eller som transportmedia för medicinska läkemedel - de molekylära borstarna kan därmed föra läkemedel till ett centrum för inflammation och, eftersom temperaturen höjs där, släpp dem direkt på åtgärdsplatsen.

Dock, den grundläggande förutsättningen för att använda penselmolekylerna är att deras beteende kan programmeras:Teoretiskt, kemister kan använda en kombination av vattenlösliga och vattenolösliga byggstenar för att bestämma exakt vid vilken temperatur polymererna klumpar ihop och vätskan i vilken de just lösts blir grumlig. "I praktiken, dock, du måste veta exakt hur och under vilka förhållanden strukturen hos polymererna ändras om du vill designa smarta borstmolekyler, "förklarar Papadakis.

Neutroner avslöjar sitt molekylära inre liv

Tillsammans med hennes team i Soft Matter Physics Group vid Techniska universitetet i München, hon har nu kunnat visualisera för första gången de förändringar som flaskborstpolymerer med armar gjorda av två olika typer av byggstenar genomgår när temperaturen når molnpunkten.

Forskarna använde neutronstrålning från Research Neutron Source Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) på campus Garching i ett speciellt instrument för småvinkelneutronspridning, som drivs av Forschungszentrum Jülich

Denna metod är särskilt väl lämpad för undersökningen eftersom neutroner är elektriskt neutrala och därför lätt penetrerar materia. Där är de spridda av atomkärnorna, vilket resulterar i detaljerad information om borstmolekylerna. I kombination med modern kryo -elektronmikroskopi, en detaljerad förståelse av dessa molekyler kunde erhållas.

När borstar klumpar ihop sig

De termoresponsiva borstmolekylerna som studerats av Papadakis team syntetiserades av kemister från National Hellenic Research Foundation i Grekland och Technische Universität Dresden, respektive.

I det första steget, proverna löstes i vatten, värmdes sedan gradvis upp till molnpunkten och bestrålades med neutroner. En detektor övervakade den spridda strålningen. Från spridningssignalen, forskarna kunde härleda strukturförändringarna.

Beroende på polymerernas struktur, vattenmolekyler splittrades redan innan molnpunkten nåddes. Vid molnpunkten själv, molekylstrukturen för polymererna kollapsade. Det som återstod var vattenolösliga polymerspolar, som bildade lösa eller kompakta kluster beroende på kvarvarande vattenhalt.

"Resultaten hjälper till att utveckla flaskborstpolymerer lämpliga för praktisk användning, "fysikern är övertygad." Om du vet exakt hur polymerer förändras vid molnpunkten, du kan optimera deras kemiska struktur för olika applikationer. "