En ny metod för att studera konjugerade polymerer har gjort det möjligt för ett arméfinansierat forskargrupp att mäta, för första gången, de enskilda molekylernas mekaniska och kinetiska egenskaper under polymerisationsreaktionen. Insikterna kan leda till mer flexibla och robusta mjuka elektroniska material, såsom hälsoövervakare och mjuk robotik.

Konjugerade polymerer är i huvudsak kluster av molekyler som sträcker sig längs en ryggrad som kan leda elektroner och absorbera ljus. Detta gör dem perfekta för att skapa mjuk optoelektronik, såsom bärbara elektroniska apparater; dock, lika flexibla som de är, dessa polymerer är svåra att studera i bulk eftersom de aggregerar och faller ur lösningen.

"Konjugerade polymerer är en fascinerande klass av material på grund av deras inneboende optiska och elektroniska egenskaper som dikteras av deras polymerstruktur, "sa doktor Dawanne Poree, programansvarig, US Army Combat Capabilities Development Command, känd som DEVCOM, Arméforskningslaboratorium. "Dessa material är mycket relevanta för ett antal applikationer av intresse för armén och DoD, inklusive bärbar elektronik, bärbara enheter, sensorer, och optiska kommunikationssystem. Hittills, tyvärr, det har varit svårt att utveckla konjugerade polymerer för riktade applikationer på grund av brist på livskraftiga verktyg för att studera och korrelera deras struktur-egenskap-förhållanden. "

Med arméfinansiering, forskare vid Cornell University använde ett tillvägagångssätt som de var banbrytande för andra syntetiska polymerer, kallas magnetpincett, som tillät dem att sträcka och vrida enskilda molekyler av den konjugerade polymeren polyacetylen. Forskningen publicerades i tidskriften Chem .

"Genom användning av nya enkelmolekylmanipulerings- och bildmetoder, detta arbete gav de första observationerna av enkelkedjiga beteenden i konjugerade polymerer som lägger grunden för en rationell design och bearbetning av dessa material för att möjliggöra utbredd tillämpning, "Sa Poree.

Tidigare försök att ta itu med lösligheten hos konjugerade polymerer har ofta åberopat kemisk derivatisering, där strukturerna modifieras med funktionella grupper av atomer. Dock, detta tillvägagångssätt kan påverka polymerens medfödda egenskaper.

"Den konjugerade polymeren är verkligen en prototyp, "sa Dr. Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi och kemisk biologi vid Cornell. "Du ändrar det alltid för att skräddarsy det för applikationer. Vi hoppas på allt vi mätte - de grundläggande egenskaperna hos synteskinetik, den mekaniska egenskapen - bli riktmärken för människor att tänka på andra polymerer i samma kategori. "

År 2017, Chens grupp var den första som använde den magnetiska pincettens mätteknik för att studera levande polymerisation, visualisera det på enmolekylnivå. Tekniken hade redan använts inom biofysikområdet för att studera DNA och proteiner, men ingen hade framgångsrikt utvidgat det till området för syntetiska polymerer.

Processen fungerar genom att fästa ena änden av en polymersträng på ett täckglas och den andra änden på en liten magnetisk partikel. Forskarna använder sedan ett magnetfält för att manipulera den konjugerade polymeren, sträcker eller vrider det, och mäter responsen hos en enda polymerkedja som växer.

Beloppen är så små, de förblir lösliga i lösning, hur bulkbelopp normalt inte skulle.

Teamet mätte hur långa kedjor av konjugerade polymerer, som består av hundratusentals monomerenheter, växa i realtid. De upptäckte att dessa polymerer lägger till en ny monomer per sekund, en mycket snabbare tillväxt än deras icke -konjugerade analoger.

"Vi fann att vi växte i realtid, denna polymer bildar konformationella trassel, "Sa Chen." Alla polymerer vi har studerat bildar konformationella förviklingar, men för denna konjugerade polymer är denna konformationella intrassling lösare, så att den växer snabbare. "

Genom att dra och sträcka enskilda konjugerade polymerer, så kallade kraftförlängningsmätningar, forskarna kunde bedöma deras styvhet och bättre förstå hur de kan böja i olika riktningar medan de förblir konjugerade och behåller elektronledningen.

De upptäckte också att polymererna visade olika mekaniska beteenden från en enskild kedja till nästa beteenden som hade förutsetts av teori men aldrig observerats experimentellt.

Fynden belyser både det unika hos konjugerade polymerer för en rad tillämpningar såväl som styrkan i att använda en enda molekyl manipulation och bildteknik på syntetiska material.

"Nu har vi ett nytt sätt att studera hur dessa konjugerade polymerer tillverkas kemiskt och vad som är den grundläggande mekaniska egenskapen för denna typ av material, "Sa Chen." Vi kan studera hur dessa grundläggande egenskaper förändras när du börjar skräddarsy dem för applikationsändamål. Kanske kan du göra den mer mekaniskt flexibel och göra polymeren längre, eller justera syntestillståndet för att antingen syntetisera polymeren på ett snabbare eller långsammare sätt. "