Rörmokarens mardrömsstruktur presenterar sig själv som en samling där alla utgångar verkar konvergera inåt – en rörmokares mardröm men en förväntad unikhet för forskare, vilket tyder på särdrag som skiljer sig från traditionella material. Icke desto mindre ansågs denna komplicerade konfiguration ouppnåelig, på gränsen till det omöjligas rike.
Nyligen grävde ett forskarlag vid Pohang University of Science and Technology (POSTECH) fram ledtrådar från försummade små ändar och förvandlade denna dröm till verklighet. Tidskriften Science publicerade inte bara denna forskning utan lyfte också fram den som en artikel, vilket väckte stort intresse inom akademiska kretsar.
Professor Moon Jeong Park och Ph.D. kandidat Hojun Lee från POSTECHs Department of Chemistry väckte till liv nanostrukturer av blocksampolymerer (BCP), som tidigare bara var tänkta.
BCP representerar polymerer konstruerade genom att länka block av en monomer med block av en annan. BCP:er kan självmontera och tillverkar olika strukturer i nanoskala och hittar breda tillämpningar inom områden som täcker halvledare och medicin.
Nyligen genomförda studier har kraftigt undersökt jämförelser i optiska och mekaniska egenskaper baserade på BCP-struktur. Men när strukturer blir mer komplicerade, minskar deras termodynamiska stabilitet, vilket innebär stora utmaningar i deras produktion.
Bland dessa strukturer står rörmokarens mardröm, som uppvisar mediall packning av polymerkedjeändar, som en oerhört komplex och distinkt formation. Även om verkliga instanser av dess manifestation saknades, antogs den ha unika optiska och mekaniska egenskaper på grund av dess distinkta kanalstruktur, vilket skiljer den från andra nanostrukturer.
I denna banbrytande forskning trotsade teamet förväntningarna genom att förvandla det omöjliga till möjligt. Medan den mesta forskningen har fokuserat på de huvudsakliga polymerkedjorna som utgör BCP, flyttar forskarna sitt fokus till de oansenliga, mindre än en procent, kedjeändarna.
De skapade di-end-funktionaliserade BCP:er genom att länka olika molekyler till varje ände av polymerkedjan. Följaktligen uppvisade polymerkedjans ändar en robust ömsesidig attraktion, vilket fick alla polymersvansar att smälta samman inåt, vilket markerar teamets framgångsrika förverkligande av rörmokarens mardrömsstruktur, en världs första prestation.
Dessutom har teamet framgångsrikt producerat en rad BCP-strukturer som hittills förblivit gåtfulla, inklusive gyroid- och diamantstrukturer. Denna prestation i att materialisera BCP-strukturer som tidigare var begränsade till fantasins och teoriernas sfärer är en betydande bedrift.
Särskilt anmärkningsvärt ligger denna studies betydelse i slutsatsen att komplexa strukturer kan realiseras stabilt när potenta krafter finns i ändarna, trots olika justeringar gjorda i BCP-polymersammansättningen och huvudkedjans kemiska egenskaper. Detta antyder den universella tillämpbarheten och anpassningsförmågan hos denna forskning för framtida studier fokuserade på att utveckla olika polymernanostrukturer med kompositstruktur.
Professor Alisyn J. Nedoma från University of Sheffield, expert på BCP-området, anmärkte i Science kommentar, "Det lägger grunden för att designa nya BCP nanostrukturer," bedömer den potentiella kostnadseffektiviteten för att skapa nanostrukturer med önskade egenskaper."
Studiens ledare, professor Moon Jeong Park förklarade, "Denna forskning har gjort det möjligt för oss att etablera en metod för att utveckla skräddarsydda nätverksstrukturer i polymer BCP. Den kommer att fungera som en plattform för att tillverka polymer BCP med olika egenskaper i nanoteknologiapplikationer."
Mer information: Hojun Lee et al, Termodynamiskt stabila rörmokares mardrömsstrukturer i blocksampolymerer, Science (2024). DOI:10.1126/science.adh0483
Alisyn J. Nedoma, Skapa "rörmokarens mardröm", Science (2024). DOI:10.1126/science.adn0168
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Pohang University of Science and Technology
