Uma nova abordagem para estudar polímeros conjugados tornou possível para uma equipe de pesquisa financiada pelo Exército medir, pela primeira vez, as propriedades mecânicas e cinéticas das moléculas individuais durante a reação de polimerização. Os insights obtidos podem levar a materiais eletrônicos flexíveis mais flexíveis e robustos, como monitores de saúde e robótica leve.

Os polímeros conjugados são essencialmente aglomerados de moléculas encadeadas ao longo de uma estrutura que pode conduzir elétrons e absorver luz. Isso os torna um ajuste perfeito para a criação de optoeletrônica suave, como dispositivos eletrônicos vestíveis; Contudo, tão flexíveis quanto são, esses polímeros são difíceis de estudar em massa porque eles se agregam e caem da solução.

"Os polímeros conjugados são uma classe fascinante de materiais devido às suas propriedades óticas e eletrônicas inerentes, que são ditadas por sua estrutura polimérica, "disse o Dr. Dawanne Poree, gerenciador de programa, Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA, conhecido como DEVCOM, Laboratório de Pesquisa do Exército. "Esses materiais são altamente relevantes para uma série de aplicações de interesse do Exército e do DoD, incluindo eletrônicos portáteis, dispositivos vestíveis, sensores, e sistemas de comunicação óptica. A data, Infelizmente, tem sido difícil desenvolver polímeros conjugados para aplicações específicas devido à falta de ferramentas viáveis ​​para estudar e correlacionar suas relações estrutura-propriedade. "

Com financiamento do Exército, pesquisadores da Cornell University empregaram uma abordagem que foram pioneiros em outros polímeros sintéticos, chamadas pinças magnéticas, que lhes permitiu esticar e torcer moléculas individuais do polímero conjugado poliacetileno. A pesquisa foi publicada na revista Chem .

"Através do uso de novas abordagens de manipulação e imagem de uma única molécula, este trabalho forneceu as primeiras observações de comportamentos de cadeia única em polímeros conjugados que estabelecem as bases para o projeto racional e processamento desses materiais para permitir a aplicação generalizada, "Poree disse.

Esforços anteriores para abordar a solubilidade de polímeros conjugados muitas vezes se basearam na derivatização química, em que as estruturas são modificadas com grupos funcionais de átomos. Contudo, essa abordagem pode afetar as propriedades inatas do polímero.

"O polímero conjugado é realmente um protótipo, "disse o Dr. Peng Chen, o Peter J.W. Professor Debye de química e biologia química na Cornell. "Você sempre o modifica para adaptá-lo às aplicações. Esperamos que tudo o que medimos - as propriedades fundamentais da cinética de síntese, a propriedade mecânica - tornam-se números de referência para as pessoas pensarem sobre outros polímeros da mesma categoria. "

Em 2017, O grupo de Chen foi o primeiro a usar a técnica de medição de pinças magnéticas para estudar a polimerização viva, visualizando-o no nível de uma única molécula. A técnica já havia sido utilizada na área de biofísica para estudos de DNA e proteínas, mas ninguém o estendeu com sucesso ao reino dos polímeros sintéticos.

O processo funciona fixando uma extremidade de um fio de polímero a uma lamela de vidro e a outra extremidade a uma minúscula partícula magnética. Os pesquisadores então usam um campo magnético para manipular o polímero conjugado, esticando ou torcendo, e medir a resposta de uma única cadeia de polímero que cresce.

Os valores são tão pequenos, eles permanecem solúveis em solução, da maneira que os grandes volumes normalmente não o fariam.

A equipe mediu quantas cadeias longas de polímeros conjugados, que consistem em centenas de milhares de unidades monoméricas, crescer em tempo real. Eles descobriram que esses polímeros adicionam um novo monômero por segundo, um crescimento muito mais rápido do que seus análogos não conjugados.

"Descobrimos que, ao crescer em tempo real, este polímero forma emaranhados conformacionais, "Disse Chen." Todos os polímeros que estudamos formam emaranhados conformacionais, mas para este polímero conjugado, este emaranhamento conformacional é mais frouxo, permitindo que cresça mais rápido. "

Ao puxar e esticar polímeros conjugados individuais, as chamadas medidas de extensão de força, os pesquisadores foram capazes de avaliar sua rigidez e entender melhor como eles podem dobrar em diferentes direções enquanto permanecem conjugados e retêm a condutividade eletrônica.

Eles também descobriram que os polímeros exibiam diversos comportamentos mecânicos de uma cadeia individual para a próxima - comportamentos que haviam sido previstos pela teoria, mas nunca observados experimentalmente.

Os resultados destacam a singularidade dos polímeros conjugados para uma gama de aplicações, bem como a força do uso de uma manipulação de molécula única e técnica de imagem em materiais sintéticos.

"Agora temos uma nova forma de estudar como esses polímeros conjugados são feitos quimicamente e qual é a propriedade mecânica fundamental desse tipo de material, "Chen disse." Podemos estudar como essas propriedades fundamentais mudam quando você começa a adaptá-las para fins de aplicação. Talvez você possa torná-lo mais flexível mecanicamente e tornar o polímero mais longo, ou ajustar a condição de síntese para sintetizar o polímero de uma forma mais rápida ou mais lenta. "