Team entdeckt Doppelhelixstruktur in synthetischem Makromolekül

Team entdeckt Doppelhelixstruktur in synthetischem Makromolekül

Forscher des College of Science und des College of Engineering haben entdeckt, dass ein hochfestes Polymer namens „PBDT“ eine seltene Doppelhelixstruktur aufweist, die Möglichkeiten für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen eröffnet.

Diese Entdeckung, die kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurde, ist eine Erweiterung der Entwicklung eines Polymer-Ionen-Gels, das herkömmliche brennbare flüssige Batterieelektrolyte zu übertreffen verspricht. Ausgestattet mit dem Nachweis der Doppelhelixstruktur reicht das Potenzial dieses Hochleistungsmaterials nun weit über Batterien hinaus.

„Dieses Polymer gibt es seit 30 Jahren, und niemand hatte herausgefunden, dass es eine Doppelhelix ist“, sagte Lou Madsen, außerordentlicher Professor für Chemie, der diese Forschung leitete. „Doppelhelices in synthetischen Systemen sind im Grunde unbekannt.“

Madsen leitete eine internationale Zusammenarbeit, an der die Virginia Tech-Professoren Rui Qiao (Maschinenbau) und Robert Moore (Chemie) sowie Theo Dingemans von der University of North Carolina in Chapel Hill und Bernd Ensing von der Universität Amsterdam in den Niederlanden teilnahmen. Alle drei Professoren der Virginia Tech sind dem Macromolecules Innovation Institute angegliedert.

Starrheit könnte neuen Verbundwerkstoffen helfen

Verbundwerkstoffe sind technische Materialien, die mehrere Komponenten verbinden, um eine Reihe neuer verbesserter Eigenschaften zu schaffen.

Reifen und moderne Flugzeugrümpfe sind Beispiele für Verbundwerkstoffe. Sie erfordern ein Kernmaterial, wie zum Beispiel Gummi im Reifenbeispiel, das mit anderen Materialien, wie zum Beispiel verstärkenden Faserfüllstoffen, für zusätzliche Festigkeit gemischt wird.

Madsen und sein Team hatten bereits 2016 gezeigt, dass PBDT sich mit flüssigen Ionen zu einem festen Batterieelektrolyten vermischen kann.

„Bevor wir von dieser Doppelhelix überzeugt waren, entdeckten wir, dass sich PBDT mit flüssigen Ionen mischen und diesen Elektrolyten herstellen kann, der eine sehr gute Leitfähigkeit hat und auch mechanisch steif ist“, sagte Madsen. „Wir haben etwas mit PBDT gemacht, aber wir wollten wissen, warum es so gut funktioniert. Wir hatten Beweise dafür, dass es sich um eine Doppelhelix handelte, hatten aber die meisten ihrer Eigenschaften nicht zu schätzen gewusst.“

Doppelhelixstrukturen wie DNA sind in der Natur gut bekannt und weisen eine hohe Biegesteifigkeit auf. DNA hat einen Durchmesser von etwa 2,5 Nanometern und ist bis zu einer Länge von etwa 50 Nanometern starr, wo sie sich zu biegen beginnt. Dadurch entsteht ein „Steifigkeitsverhältnis“ von etwa 20 zu 1, ähnlich wie bei einer Karottenstange.

Im Vergleich dazu hat PBDT ein Steifigkeitsverhältnis von 1.000 zu 1, was es zu einem der steifsten Moleküle macht, die bisher entdeckt wurden.

Die überragende Steifigkeit des Polymers bedeutet, dass nur ein Bruchteil davon benötigt würde, um eine vergleichbare Leistung wie herkömmliche verstärkende Füllstoffe zu erzielen. Darüber hinaus ist der Erstellungsprozess äußerst billig und einfach.

„Wenn Sie herkömmliche Füllstoffe in einem Verbundwerkstoff verwenden, können Sie 10 Prozent verwenden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen“, sagte Madsen. „Aber PBDT hat diese lange Steifigkeitslänge und einen winzigen Durchmesser. Das bedeutet, dass Sie möglicherweise nur 1 oder 2 Prozent hinzufügen müssen, um ein stark verbessertes Material zu erhalten.“

Von Röntgenstrahlen und DNA bis hin zu Computermodellen

Bereits 2014 haben Madsen und sein Ph.D. Die Studentin Ying Wang hatte gedacht, das Polymer sei eine Doppelhelix, hatte aber keine handfesten Beweise. Sie begannen dann mit Röntgenuntersuchungen an PBDT, ähnlich den Studien, die Rosalind Franklin Anfang der 1950er Jahre an DNA durchführte, die zur Entdeckung der DNA-Doppelhelix führten. Tatsächlich war die PBDT-Röntgenaufnahme Franklins DNA-Röntgenaufnahme ähnlich. Sie verwendeten außerdem eine MRT-ähnliche Technik, um ihre Beweise zu untermauern.

Madsen wandte sich dann an Ensing in Holland und dann an Qiao von der Virginia Tech, um Hilfe beim Verständnis des Polymers mit Computermodellen zu erhalten.

Qiao sagte, er habe anfangs nicht geglaubt, dass die Simulation überhaupt funktionieren würde.

„Eine Simulation einer Selbstorganisation zur Bildung einer Doppelhelixstruktur – ich hatte noch nie davon gehört, außer dass die Leute es für die DNA getan hatten“, sagte Qiao. „Aber für diese Art von Simulation ist es sehr schwierig. Mein Schüler versuchte es trotzdem und wie durch ein Wunder funktionierte es. Wir haben eine Reihe verschiedener Bedingungen und verschiedene Arten von Simulationen ausprobiert, aber die Ergebnisse waren robust, was uns etwas Vertrauen gab, dass es sich um eine echte Doppelhelix handelt.“

Die Bestätigung der Doppelhelixstruktur eröffnet Möglichkeiten für die potenzielle Anwendung von PBDT über Batterieelektrolyte hinaus, wie z. B. leichte Materialien für die Luft- und Raumfahrt.

„Die Anwendung davon wird wirklich durch unsere Vorstellungskraft begrenzt“, sagte Qiao. „Jetzt haben wir eine neue Art von Legosteinen. Wenn mehr Menschen von diesem Material hören, werden sie ihre eigene Art und Weise finden, es zu verwenden. Was dabei wirklich herauskommt, können wir uns heute vielleicht noch nicht ausmalen.“

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

Back to top
Kostenlose E -Mail -Aktualisierung
Wir respektieren deine Privatsphäre.