Un nuevo enfoque para estudiar los polímeros conjugados ha hecho posible que un equipo de investigación financiado por el ejército mida, por primera vez, las propiedades mecánicas y cinéticas de las moléculas individuales durante la reacción de polimerización. Los conocimientos adquiridos podrían conducir a materiales electrónicos blandos más flexibles y robustos, como monitores de salud y robótica blanda.

Los polímeros conjugados son esencialmente grupos de moléculas encadenadas a lo largo de una columna vertebral que pueden conducir electrones y absorber la luz. Esto los convierte en un ajuste perfecto para crear optoelectrónica suave, como dispositivos electrónicos portátiles; sin embargo, tan flexibles como son, estos polímeros son difíciles de estudiar a granel porque se agregan y se desprenden de la solución.

"Los polímeros conjugados son una clase fascinante de materiales debido a sus propiedades ópticas y electrónicas inherentes que están dictadas por su estructura polimérica, "dijo el Dr. Dawanne Poree, director del programa, Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., conocido como DEVCOM, Laboratorio de Investigación del Ejército. "Estos materiales son muy relevantes para una serie de aplicaciones de interés para el Ejército y el Departamento de Defensa, incluida la electrónica portátil, dispositivos portátiles, sensores, y sistemas de comunicación óptica. Hasta la fecha, Desafortunadamente, Ha sido difícil desarrollar polímeros conjugados para aplicaciones específicas debido a la falta de herramientas viables para estudiar y correlacionar sus relaciones estructura-propiedad ".

Con fondos del Ejército, Los investigadores de la Universidad de Cornell emplearon un enfoque que fueron pioneros en otros polímeros sintéticos, llamadas pinzas magnéticas, que les permitió estirar y retorcer moléculas individuales del polímero conjugado poliacetileno. La investigación fue publicada en la revista Chem .

"Mediante el uso de nuevos enfoques de manipulación e imágenes de una sola molécula, Este trabajo proporcionó las primeras observaciones de los comportamientos de una sola cadena en polímeros conjugados que sientan las bases para el diseño racional y el procesamiento de estos materiales para permitir una aplicación generalizada. "Dijo Poree.

Los esfuerzos anteriores para abordar la solubilidad de los polímeros conjugados a menudo se han basado en la derivatización química, en el que las estructuras se modifican con grupos funcionales de átomos. Sin embargo, ese enfoque puede afectar las propiedades innatas del polímero.

"El polímero conjugado es realmente un prototipo, "dijo el Dr. Peng Chen, el Peter J.W. Debye, profesora de química y biología química en Cornell. "Siempre se modifica para adaptarlo a las aplicaciones. Esperamos que todo lo que medimos:las propiedades fundamentales de la cinética de síntesis, la propiedad mecánica:conviértase en números de referencia para que la gente piense en otros polímeros de la misma categoría ".

En 2017, El grupo de Chen fue el primero en utilizar la técnica de medición de pinzas magnéticas para estudiar la polimerización viva, visualizándolo a nivel de una sola molécula. La técnica ya se había utilizado en el campo de la biofísica para estudiar el ADN y las proteínas, pero nadie lo había extendido con éxito al ámbito de los polímeros sintéticos.

El proceso funciona fijando un extremo de una hebra de polímero a un cubreobjetos de vidrio y el otro extremo a una pequeña partícula magnética. Luego, los investigadores usan un campo magnético para manipular el polímero conjugado, estirarlo o torcerlo, y medir la respuesta de una sola cadena de polímero que crece.

Las cantidades son tan pequeñas permanecen solubles en solución, de la forma en que las cantidades a granel normalmente no lo harían.

El equipo midió la longitud de las cadenas de polímeros conjugados, que constan de cientos de miles de unidades monoméricas, crecer en tiempo real. Descubrieron que estos polímeros agregan un nuevo monómero por segundo, un crecimiento mucho más rápido que sus análogos no conjugados.

"Descubrimos que mientras crecíamos en tiempo real, este polímero forma entrelazamientos conformacionales, ", Dijo Chen." Todos los polímeros que hemos estudiado forman entrelazamientos conformacionales, pero para este polímero conjugado este entrelazamiento conformacional es más flojo, lo que le permite crecer más rápido ".

Tirando y estirando polímeros conjugados individuales, las llamadas mediciones de extensión de fuerza, los investigadores pudieron evaluar su rigidez y comprender mejor cómo pueden doblarse en diferentes direcciones mientras permanecen conjugados y reteniendo la conductividad electrónica.

También descubrieron que los polímeros mostraban diversos comportamientos mecánicos de una cadena individual a la siguiente, comportamientos que habían sido predichos por la teoría pero que nunca se habían observado experimentalmente.

Los hallazgos destacan tanto la singularidad de los polímeros conjugados para una variedad de aplicaciones como la fortaleza de utilizar una técnica de manipulación e imagen de una sola molécula en materiales sintéticos.

“Ahora tenemos una nueva forma de estudiar cómo se fabrican químicamente estos polímeros conjugados y cuál es la propiedad mecánica fundamental de este tipo de material, ", Dijo Chen." Podemos estudiar cómo cambian estas propiedades fundamentales cuando se comienza a adaptarlas para fines de aplicación. Tal vez pueda hacerlo más flexible mecánicamente y alargar el polímero, o ajustar la condición de síntesis para sintetizar el polímero de una manera más rápida o más lenta ".