Att veta hur man bygger sammansättningar av polymerer i nanostorlek (långa molekylkedjor) är nyckeln till att förbättra ett brett spektrum av industriella processer, från produktion av nanofibrer, filter, och nya material för tillverkning av lågenergi, kretsar och enheter i nanoskala. En färsk tidning i Naturkommunikation belyser nyckelbeteenden hos polymerer i speciellt konstruerade slutna utrymmen, öppna dörren till en kontrollnivå som tidigare varit omöjlig.

Forskare i Japan vid Kyoto University och Nagoya University har lyckats tillverka specialdesignade kanaler i subnanometerskala, eller porer, som kan manipuleras för att fånga polymerer och tillåta forskare att observera hur dessa kedjor reagerar på temperaturförändringar. Tidigare var denna nivå av observation inte möjlig, och därför var mycket om polymerbeteenden i subnanometerutrymmen - i synnerhet termiska övergångar - okänt.

Tekniken använder specialdesignade ämnen som kallas porösa koordinationspolymerer (PCP), som är anmärkningsvärda för den höga grad till vilken deras porstorlekar och andra egenskaper kan kontrolleras.

"PCP:er tillåter oss att designa burar där vi kan fånga specifika molekyler, " förklarar den ledande forskaren Dr. Takashi Uemura vid Kyoto Universitys Graduate School of Engineering. "I det här fallet, polyetylenglykolmolekyler - PEGs - kan rymmas i burarna på samma sätt som havsålar gömmer sig i hål. I öppet vatten finns det ingen ordning på deras simning. Men i cylindriska rör, de föredrar att ordna sig linjärt i grupper. Polymerkedjor gör detta också, blir ordnat sammansatt i PCP-kanalerna."

I detta fall, PCP-kanalerna var exakt inställda för att kontrollera deras storlek och inre ytegenskaper, så att forskargruppen direkt kan observera hur polymererna uppförde sig. Detta ledde till det oväntade upptäckten att övergångstemperaturen - i det här fallet, smältpunkt - för instängda PEGs minskade när deras molekylvikt - längd i detta fall - ökade.

"Detta var precis motsatsen till vad vi hade observerat i bulk, det är, "gratis" PEG, " utarbetar Dr Susumu Kitagawa, biträdande chef för Kyoto-universitetets institut för integrerade cellmaterialvetenskaper (iCeMS). "Vi tror att detta är resultatet av destabilisering av PEG-kedjorna under inneslutning. Instabiliteten ökar tillsammans med kedjelängden."

Att förstå sådana små detaljer om beteendet hos nanobegränsade polymerer ger upphov till möjligheten till framtida genombrott inom nanoskalatillverkning baserad på sammansättningar av ett litet antal polymerkedjor, som i sin tur kan användas för att tillverka ett brett utbud av nya material.