Multizyklische Molekülräder mit Polymerpotential
Moleküle, die wie miteinander verbundene Räder wirken, können lange Molekülketten zusammenhalten, um die Eigenschaften von weichen Polymeren zu verändern
Rotaxane sind ineinandergreifende Molekülstrukturen mit einem linearen "Achs"-Molekül, das ein oder mehrere zyklische "Rad"-Moleküle durchdringt. Sperrige Gruppen am Ende der Achse verhindern, dass sich die Räder ablösen. Nun haben Forscher der Hokkaido-Universität die bisherigen Errungenschaften dieser Technologie einen Schritt weiter gebracht und Makro-Rotaxane hergestellt, deren multizyklische Räder mit mehreren hochmolekularen Achsen verzahnt sind. Sie berichten über ihre Innovation in der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition.
Struktur des in dieser Studie synthetisierten Makro-Rotaxans: multizyklische Räder (rot), die mit mehreren hochmolekularen Achsen (blau) verzahnt sind.
Minami Ebe, et al.
Rotaxane, die anfangs als faszinierende chemische Kuriositäten galten, werden nun für eine breite Palette potenzieller Anwendungen erforscht, die von Polymeren der nächsten Generation bis hin zu ehrgeizigen Möglichkeiten im Bereich des molekularen Computings, der Sensortechnologien und der Arzneimittelverabreichung reichen.
Die Forscher der Universität Hokkaido konzentrieren sich zusammen mit Kollegen in anderen Teilen Japans auf die Herstellung neuer Netzwerkpolymere, bei denen Ringstrukturen, die komplexer sind als einfache Kreise, verschiedene Stränge langer Polymerketten zusammenhalten.
"Wir denken, dass die multizyklischen Strukturen in diesen Makro-Rotaxanen als nicht auslaugende Additive nützlich sein könnten, die durch die Art und Weise, wie sie mehrere benachbarte Polymerketten zusammenhalten, dauerhaft in einem Polymernetzwerk gehalten werden", sagt der Polymerchemiker Professor Toshifumi Satoh vom Hokkaido-Team.
Die 3D-Räder wirken wie eine einzigartige und hochflexible Form von molekularen Vernetzungen, die den Rädern und den ineinandergreifenden Polymersträngen viel mehr Bewegungsfreiheit als in konventionell vernetzten Netzwerken erlauben. Strukturelle Variationen sollten eine feine Kontrolle über die Eigenschaften weicher Materialien ermöglichen, so dass sie für eine Vielzahl von industriellen und medizinischen Anwendungen geeignet sind.
Andere Forschergruppen haben ähnliche Erfolge mit kleineren Molekülanordnungen erzielt, aber die Fortschritte der Hokkaido Universität bewegen das Feld in den Bereich größerer Moleküle.
Die Forscher untersuchten einige der Möglichkeiten dieser bedeutenden neuen Entwicklung in der Polymerchemie, indem sie Chemikalien namens Polydimethylsiloxane (PDMS) zur Herstellung der multizyklischen Ringe verwendeten. Sie waren in der Lage, eine unterschiedliche Anzahl von zyklischen Einheiten mit Ringen verschiedener Größe zu bilden. In Kombination mit Silikonpolymerketten mit kurzen Vernetzungsmitteln wurden die multizyklischen Einheiten effizient in ein neu entstehendes ausgedehntes, gemischtes und verzahntes Netzwerk eingebaut.
"Wir haben das Potenzial für die Herstellung modifizierter weicher Materialien untersucht, indem wir die Dämpfungsleistung der Netzwerke gemessen haben, d. h. die Fähigkeit eines Materials, Schwingungen zu absorbieren und zu reduzieren", sagt Satoh. "Dabei zeigte sich, dass unsere Makro-Rotaxane im Vergleich zu konventionellen Polymernetzwerken eine deutlich verbesserte Dämpfungseffizienz aufweisen."
Satoh und seine Kollegen planen nun, weitere Möglichkeiten zu erforschen, die auf den durch ihre aktuellen Fortschritte geschaffenen Proof-of-Concept-Grundlagen aufgebaut werden können.
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