Desde llantas hasta ropa y champú, muchos productos ubicuos están hechos con polímeros, moléculas grandes en forma de cadena hechas de subunidades más pequeñas, llamadas monómeros, unidos entre sí. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Delaware y la Universidad de Pennsylvania, con el apoyo principal del Programa de Materiales Biomoleculares del Departamento de Energía de EE. UU., ha creado una nueva unidad fundamental de polímeros que podría marcar el comienzo de una nueva era de descubrimiento de materiales.
Los investigadores diseñaron y crearon cadenas de polímeros rígidas, autoensamblables y personalizables al unir nuevos bloques de construcción llamados agrupadores, un término acuñado en UD. Recientemente describieron su trabajo en la revista Naturaleza .
Para crear agrupadores, el equipo ensambla cuatro péptidos individuales, ellos mismos cadenas cortas de aminoácidos, en cilindros nanoscópicos. Los cilindros agrupadores se unen de extremo a extremo a través de una serie de reacciones químicas altamente eficientes y controladas conocidas comoQuímica 'clic'. Las cadenas de polímeros resultantes son moléculas rígidas, similares a barras que se basan en la biología pero que no existen en la naturaleza. Las cadenas de paquetes pueden modificarse con componentes como polímeros sintéticos o nanopartículas inorgánicas para crear nuevos nanomateriales híbridos.
"Hay una premisa básica en los materiales que si puedes controlar la función y la estructura, entonces esencialmente puedes construir cualquier cosa", dijo Chris Kloxin, autor del estudio y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería química y biomolecular en la UD ".tenemos una unidad estructural muy bien definida, este paquete, sobre el cual tenemos la capacidad de agregar funcionalidad química en cualquier ubicación ".
Debido a su rigidez y personalización, los agrupadores podrían usarse para diseñar nuevos materiales con una amplia gama de aplicaciones, desde fibras de alto rendimiento hasta plásticos de un solo uso y productos biológicos, medicamentos que emplean componentes biológicos en lugar de productos químicos tradicionales. Investigación biofarmacéutica yEl desarrollo es un área creciente de experiencia en la Universidad de Delaware, sede del Instituto Nacional de Innovación en Fabricación de Productos Biofarmacéuticos NIIMBL.
La rigidez de los bundlemers también podría hacer que estos materiales sean útiles como sustitutos de materiales famosos como el acero en los puentes, la seda en paracaídas o el Kevlar en chalecos antibalas.
Prácticamente todos los días, el coautor Darrin Pochan, presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en UD, y Kloxin presentan una nueva aplicación para perseguir, lo suficiente para mantenerlos ocupados a ellos y a sus estudiantes durante años.
"Nuestra idea es que estos agrupadores realmente son bloques de construcción en todos los sentidos", dijo Pochan. "Vamos a construir muchos, muchos materiales y tecnologías a partir de estos bloques de construcción".
El equipo ya ha solicitado una patente y planea presentar más.
El origen de los bundlemers
Pochan y el coautor Jeffery Saven, profesor de química en la Universidad de Pensilvania, han colaborado desde 2012, cuando recibieron una beca DMREF de la National Science Foundation para estudiar materiales de diseño. Kristi Kiick, profesora distinguida de ciencia de materiales de Blue and GoldIngeniería, también fue un colaborador en ese proyecto.
El grupo de química computacional de Saven diseña y modela secuencias de péptidos específicos para identificar candidatos prometedores para la síntesis y caracterización. "Nuestro grupo está involucrado en el diseño e identificación de qué hacer, luego modelando estos sistemas para tratar de comprender su estabilidad", dijo Saven sobre suEl papel del grupo en la colaboración.
Saven colabora en nuevos diseños de moléculas con Pochan y ahora Kloxin, quienes se unieron a la colaboración más tarde, donde discuten los pros y los contras de las diferentes secuencias de péptidos y cómo crear mejor un nuevo material con una propiedad específica.
Luego, en UD, Pochan y Kloxin hacen los materiales.
"Es bueno tener comentarios sobre características importantes para incluir en los cálculos", dijo Saven sobre la importancia de las discusiones iterativas entre grupos en UD y Penn.
Dijo Pochan: "Diseñamos computacionalmente y luego creamos experimentalmente las moléculas para hacer el ensamblaje en los bloques de construcción del paquete", dijo Pochan. "No estamos limitados a la caja de herramientas de la naturaleza".
Aún así, a pesar de una cuidadosa planificación, los resultados experimentales iniciales sorprendieron a Pochan y Kloxin, en el buen sentido. Cuando vieron por primera vez las medidas de la rigidez de la cadena de los bundles, asumieron que algo andaba mal. Por lo general, las cadenas de polímeros son flojas y flexibles como el espagueti, pero los polímeros creados a partir de bundlemers son más como barras largas, delgadas y resistentes.
"La rigidez fue sorprendente y sorprendente", dijo Pochan. No fue un error. Pruebas adicionales revelaron que los agrupadores tienen una rigidez en peso mucho mayor que casi cualquier otro polímero, como los polímeros sintéticos y el ADN.
Después de sintetizar los agrupadores, el equipo de investigación caracterizó los materiales usando microscopía electrónica de transmisión y microscopía electrónica de transmisión criogénica en el Centro Keck para Microscopía y Microanálisis Avanzado. También confirmaron el tamaño y la estructura de los agrupadores a través de experimentos de dispersión de neutrones de ángulo pequeño en elCentro NIST para la Investigación de Neutrones, que tiene un acuerdo de cooperación con la Universidad de Delaware para el Centro de Ciencias de Neutrones.
Jeff Caplan, experto en microscopía confocal y director de Bioimagen en el Instituto de Biotecnología de Delaware, realizó imágenes de microscopía de reconstrucción óptica estocástica STORM para visualizar pequeños segmentos dentro de los agrupadores. Caplan es coautor del Naturaleza papel
Este proyecto no hubiera sido posible sin la experiencia complementaria de los investigadores principales. Saven sobresale en computación y teoría. Kloxin sobresale en química de polímeros. Pochan sobresale en síntesis y caracterización de materiales.
"Tenemos mucha superposición con nuestra experiencia, pero el punto es que sin uno de nosotros, nada de esto hubiera sucedido", dijo Pochan. "Sin instalaciones, como el Laboratorio de Microscopía Keck de UD, el Centro de Bioimagen en DelawareEl Instituto de Biotecnología y nuestra relación con el NIST y el Centro de Investigación de Neutrones, este tipo de trabajo no sucedería ".
El futuro de los bundlemers
A continuación, el equipo tiene como objetivo hacer que los bundlemers sean más accesibles, más fáciles de sintetizar y escalables.
Los científicos de todo el mundo podrían usar paquetes para abordar una gran variedad de grandes desafíos en ingeniería. "Estas son herramientas que cualquiera puede usar, ya sea químico, ingeniero o físico", dijo Pochan. "Es incluso difícilpiense en un material equivalente o herramienta experimental que las personas usen ampliamente. Es como una caja de herramientas para que cualquiera pueda diseñar cosas futuras ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Delaware . Original escrito por Julie Stewart. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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