Các nhà hóa học chụp ảnh những khối cơ bản của polymer tổng hợp

Các polymer tổng hợp có mặt khắp mọi chốn trong xã hội của chúng ta – từ nylon và quần áo có polyester đến nồi chảo chống dính Teflon và màu epoxy. Ở mức độ phân tử, các phân tử polymer đó được tạo từ các chuỗi dài các khối cơ bản monomer, sự phức hợp mà trong đó làm gia tăng về mặt tính năng của các loại vật liệu.

Cụ thể, các copolymer, vốn bao gồm nhiều dạng khác nhau của các monomer trong cùng chuỗi, cho phép tinh chỉnh các đặc tính của vật liệu này, theo Peng Chen, giáo sư hóa học ghế Peter J.W. Debye ở trường Khoa học và nghệ thuật (A&S). Chuỗi monomer đóng vai trò tối quan trọng trong các đặc tính của vật liệu này nhưng các nhà khoa học vẫn còn thiếu phương pháp cho tổng hợp chuỗi copolymer.

Chen và cộng sự đã phát triển CREATS (Cách tiếp cận tái tương tác kết cặp hướng đến chụp ảnh siêu phân giải), cho phép họ chụp ảnh các phản ứng xúc tác polymer hóa ở mức phân giải đơn monomer và, thông qua dấu hiệu huỳnh quang, để phân biệt các monomer này với các monomer khác. Cả hai đều là những bước quan trọng trong khám phá thành phần phân tử của một polymer tổng hợp.

Họ đã miêu tả kỹ thuật này và những khám phá đầu tiên mà họ đã làm được trong bài báo “Optical Sequencing of Single Synthetic Polymers”, được xuất bản trên tạp chí Nature Chemistry ¹.

Đồng tác giả thứ nhất là Rong Ye, Xiangcheng Sun và Xianwen Mao, tất cả đều là cựu nhà nghiên cứu postdoct trong nhóm nghiên cứu của Chen. Các đồng tác giả khác cũng là cựu thành viên trong nhóm của Chen, Susil Baral và Chunming Liu, và các postdoct khác là Felix Alfonso, Geoffrey Coates, giáo sư Hóa và sinh hóa ĐH Tisch (A&S).

“Các polymer tổng hợp đều được làm từ các khối monomer liên kết như một chuỗi hạt”, Chen nói. Trong các polymer đơn giản nhất, các monomer đã được nhận diện nhưng vẫn còn những đặc tính phức tạp nổi lên khi các polymer chứa monomer ở các dạng khác nhau – hay gọi là copolymer. Trình tự chính xác các monomer trong một copolymer đóng vai trò quan trọng đối với các đặc tính của nó, như độ cứng hoặc độ linh hoạt.

Trình tự đóng vai trò trong các đặc tính của polymer tự nhiên, cũng vậy, Chen nói. Ví dụ một protein được làm từ 20 monomer amino acid được sắp xếp trong một chuỗi vô cùng đặc biệt. “Trong một polymer tụ nhiên, nature đã kiểm soát chúng”, Chen nói. “Trong các polymer tổng hợp, con người tạo ra các trình tự và các nhà hóa học về cơ bản không có cách kiểm soát nó một cách chính xác”.

Việc xếp chuỗi các copolymer vô cùng khó ở quy mô lớn bởi vì sự thiếu đồng nhất trong các polymer, Chen nói. Mỗi chuỗi khác nhau về độ dài, thành phần, trình tự, vốn đòi hỏi phương pháp trình tự đơn polymer để có thể giải quyết và nhận diện các đơn monomer.

Một số phương pháp hiện đại cho phép nhà khoa học kiểm soát sự sắp xếp của các monomer trong một khối, Chen nói, nhưng chỉ trên các polymer chuỗi ngắn – dài từ 10 đến 20 monomer.

Với việc sử dụng CREATS, các nhà nghiên cứu có thể xác định được trình tự của một polymer khi tạo ra nó, một monomer tại một thời điểm bằng việc chụp ảnh và nhận diện từng monomer một khi đưa nó vào polymer. Để khiến cho các monomer trở nên dễ nhận biết, CREATS kết cặp phản ứng polymer hóa với phản ứng tạo ra dấu hiệu huỳnh quang.

“Mỗi monomer được đưa vào đều tạo ra một luồng sáng”, Chen nói. “Ánh sáng đó được tia laser cảm thụ và luồng sáng có màu sắc. Trong trường hợp của chúng tôi, nó có màu xanh lá cây hoặc màu vàng. Với việc thấy màu xanh hay càng, chúng tôi thấy những monomer nào trong đó”.

Phòng thí nghiệm này đã sẵn sàng lắp đặt thiết bị để đo đạc các đặc tính của polymer tổng hợp. Hiện tại họ có thể xác định trình tự một đơn polymer, bước tiếp theo là kết hợp hai thực nghiệm để so sánh cấu trúc và chức năng, cuối cùng đem đến những nguyên tắc hướng dẫn cho thiết kế polymer để đạt được những đặc tính nhất định.

“Nếu anh biết kiểm soát trình tự như thế nào, anh có thể thực sự nghĩ về việc thiết kế bất kỳ trình tự nào anh muốn để có được một đặc tính nhất định”, Chen nói. “Hiểu biết này có thể giúp con người thiết kế các vật liệu cho cho một ứng dụng mình ao ước”.

Anh Hiền tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-11-chemists-image-basic-blocks-synthetic.html

https://news.cornell.edu/stories/2023/11/cornell-chemists-image-basic-blocks-synthetic-polymers

———————————————–

1. https://www.nature.com/articles/s41557-023-01363-2