聚合物成为可持续合成材料的关键

包含环状聚合物的可回收塑料可能是开发可持续合成材料的关键。研究人员说,尽管取得了一些鼓舞人心的进展,但如何将环聚合物加工成实际材料的全面了解仍然难以捉摸。

在一项新的研究中,研究人员确定了一种称为“穿线”的机制,该机制在聚合物拉伸时会发生,这种行为以前从未见过。这一新见解可能会导致可持续聚合物材料的新加工方法。

化学和生物分子工程教授Charles Schroeder(左)和研究生Yuecheng(Peter)周研究了环状和线性聚合物溶液的流动动力学,以寻找有关合成聚合物在加工过程中如何相互作用的线索。图片来源:L。Brian Stauffer

研究背景

大多数消费塑料是线性聚合物的混合物。贝克曼高级科学技术研究所的自主材料系统小组证明,纯粹由环聚合物(形成闭环的分子)制成的塑料的概念为可持续性提供了很大的机会。

一旦单键将环聚合物结合在一起,整个分子就会破裂,导致按需崩解。但是,将这类聚合物加工成实用材料仍然是一个挑战。

伊利诺伊大学(University of Illinois)于2013年领导的一项研究表明,环状聚合物可能会因热而断裂,但这要付出一定的代价-最终的塑料可能会变得不稳定并开始过早分解。

研究过程

在这项新研究中,美国大学的研究人员Charles Schroeder和Yuecheng(Peter)研究了基于DNA的环和线性聚合物溶液的流动动力学,以寻找有关合成聚合物在加工过程中如何相互作用的线索。

贝克曼研究所化学和生物分子工程学教授施罗德说:“我们对环聚合物在导航周围其他聚合物链时如何伸展和流动时缺乏基本的了解。这项工作使我们无法在分子水平上探究这些问题。”

在Schroeder的实验室中,研究人员拉伸和挤压聚合物,使它们流动,并允许使用单分子荧光显微镜直接观察单个分子的行为。

该研究的主要作者周说:“环状聚合物的形状存在波动,这取决于溶液中线性聚合物的浓度。我们在环或线性聚合物的纯溶液中看不到这种行为,因此这告诉我们混合溶液中正在发生独特的事情。”

研究结果

研究小组结合直接单分子观察和物理测量结果得出的结论是,环状聚合物的形状发生变化是因为线性分子在受力时会穿过环状分子,从而导致环状物在流体流动下发生波动。

周说:“即使混合物中线性聚合物的浓度非常低,我们也观察到了这种现象。” “这表明只需要很细微的污染就能引起这种现象。”

在应力作用下,线型聚合物通过环状聚合物的这种穿线是以前通过物理性质的批量研究得出的理论,但现在已经在分子规模上观察到。

目前尚不清楚这些观察将如何转化为可持续消费塑料的进一步发展。但是,对混合聚合物溶液基本分子性质的任何见解都是朝着正确方向迈出的一步。

要使纯环状聚合物塑料成为现实,我们需要从根本上理解混合溶液和纯溶液。一旦我们弄清楚了它们是如何工作的,那么我们就可以继续合成它们,并最终将其用于可持续消费塑料中。

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