Спиральные структуры имеют основополагающее значение для биологии, что подтверждается знаменитой двухцепочечной спиралью ДНК и спиральным расположением клеток сердечной мышцы.
Черпая вдохновение из этих замечательных разработок, исследователи Высшей школы передовой науки и инженерии Университета Хиросимы успешно создали искусственный полимер, который самоорганизуется в точную спираль. Это достижение является примером того, как принципы природы могут быть использованы для продвижения материаловедения.
«Вдохновленные элегантными биологическими спиральными структурами, значительные усилия были направлены на разработку искусственных спиральных организаций с определенной направленностью для широкого потенциального применения, включая память, сенсорные устройства, хиральные неподвижные фазы, асимметричные катализаторы и спиновую фильтрацию», — сказал соавтор Такехару Хайно, профессор Высшей школы передовых наук и инженерии Университета Хиросимы. «Представленный здесь спиральный супрамолекулярный полимер является новым типом спирального полимера».
Полимеры представляют собой увлекательный и обширный класс материалов, определяемых их большими молекулярными структурами. Обильно встречающиеся в природе в виде белков и ДНК, они также играют важную роль в различных отраслях промышленности, особенно в качестве неотъемлемых компонентов синтетических пластиков.
Молекулы супрамолекулярного полимера обычно взаимодействуют, образуя нековалентные связи, которые являются строго направленными и вызывают определенное поведение в зависимости от их расположения.
Полимер, разработанный командой ученых Университета Хиросимы, известен как псевдополикатенан, который содержит механические связи в дополнение к нековалентным связям. Механические связи могут быть разорваны силой без нарушения химической структуры нековалентных связей — привлекательное свойство при разработке материалов, требующих точного контроля.
Обычно эти спиральные структуры классифицируются как «односторонние», что означает, что их скручивание происходит в одном определенном направлении. Это уникальное свойство глубоко влияет на их взаимодействие с другими материалами, поскольку оно тесно связано с направлением их скручивания.
Таким образом, способ их взаимодействия с другими материалами определяется направлением их скручивания. Если исследователи могут контролировать, является ли это скручивание левым или правым, то они могут контролировать, как полимер ведет себя при применении в различных сценариях.
«Спиральные полимеры потенциально полезны для различных целей; однако синтез спиральных полимеров с предпочтительной направленностью остается сложной задачей», — сказал Такехару Хайно. «Здесь мы представляем новый метод синтеза спиральных полимеров с предпочтительной направленностью посредством супрамолекулярной полимеризации, контролируемой комплементарной димеризацией биспорфириновых щелевых единиц».
Единицы биспорфириновой щели — это молекулярные образования, которые могут соединяться с другими элементами для создания молекулярных комплексов, таких как полимеры. Намеренно способствуя связыванию этих единиц — димеризации — исследователи могут заранее определить хиральность полученного полимера .
«Предложенная новая стратегия управления хиризацией супрамолекулярных спиральных псевдополикатенановых полимеров прокладывает путь к изучению супрамолекулярных полимерных материалов с функциями, направляемыми контролируемой спиральностью и механической связью», — сказал Такехару Хайно. «Наша цель — применить эти новые спиральные супрамолекулярные полимеры для разделения материалов и катализа — или ускорения химических реакций — и создать новую функциональную химию спиральных супрамолекулярных полимеров».
Исследование было опубликовано в журнале Angewandte Chemie.