درک رفتار پلیمرها در مقیاس زیر نانومتر

کلید بهبود بسیاری از فرایندهای صنعتی، از جمله تولید نانوالیاف، فیلترها، و مواد
جدید برای ساخت ابزارها و مدارات کم‌مصرف نانومقیاس، دانستن چگونگی ایجاد آرایش‌های
نانومقیاس از پلیمرهاست. مقاله جدیدی که در مجله Nature Communications منتشر شده
است، رفتارهای کلیدی پلیمرها را در فضاهای بسیار محدود مهندسی شده روشن‌تر ساخته و
راه را برای دستیابی به سطحی از کنترل که تاکنون غیرممکن بوده است، هموار می‌سازد.

دانشمندان ژاپنی در دانشگاه کیوتو و ناگایا موفق به تولید کانال‌ها یا حفره‌های زیر
نانومتری خاص شده‌اند که می‌تواند رشته‌های پلیمری را به دام بیاندازد؛ بدین ترتیب
امکان مطالعه رفتار این رشته‌ها، مخصوصا پاسخ آنها به تغییرات دمایی فراهم می‌شود.
تاکنون امکان چنین مشاهداتی وجود نداشت و در نتیجه بسیاری از رفتارهای پلیمرها در
فضاهای کوچک‌تر از نانومتر ناشناخته بوده است.

در این روش از مواد خاصی به نام پلیمرهای کئوردیناسیونی حفره‌ای (PCPs) استفاده شده
است که به دلیل کنترل بالایی که روی اندازه حفرات و سایر ویژگی‌های آنها وجود دارد،
معروف هستند.

دکتر تاکاشی اومورا از دانشگاه کیوتو می‌گوید: « PCPها امکان طراحی قفس‌هایی برای
به‌دام انداختن مولکول‌های خاص را ایجاد می‌کنند. در این مورد مولکول‌های پلی‌اتیلن
گلیکول (PEG) درون این قفس‌ها به‌دام انداخته شدند. این کار دقیقا شبیه پنهان شدن
مارماهی‌ها درون حفرات دریایی است. زمانی که این موجودات آزاد هستند، حرکت آنها
بی‌نظم است، اما زمانی که درون کانال‌های استوانه‌ای قرار می‌گیرند، ترجیح می‌دهند
خود را به‌صورت گروه‌های خطی آرایش دهند. پلیمرها نیز درون PCPها همین رفتار را از
خود نشان می‌دهند».

در این مطالعه کانال‌های PCP به‌نحوی تنظیم شدند که اندازه حفرات و ویژگی‌های سطوح
داخلی آنها به‌خوبی کنترل شود. بدین ترتیب محققان توانستند به طور مستقیم رفتار
پلیمرها را مشاهده کنند. محققان در این مطالعه دریافتند که دمای ذوب مولکول‌های
محدود شده PEG با افزایش وزن مولکولی آنها (افزایش طول زنجیره) کاهش می‌یابد.

دکتر سوسومو کیتاگاوا از دانشگاه کیوتو می‌گوید: «این ویژگی دقیقاً برعکس چیزی است
که در پلیمر توده‌ای، یعنی پلی‌اتیلن گلیکول آزاد مشاهده می‌شود. بر این باوریم که
این پدیده در اثر ناپایدار شدن زنجیره‌های PEG هنگام محدود شدن اتفاق می‌افتد.
ناپایداری با افزایش طول زنجیر افزایش می‌یابد».

درک جزئیات دقیق رفتار پلیمرهای محدود شده، امکان پیشرفت‌های بعدی در زمینه تولید
مولکولی را با استفاده از آرایش تعداد کمی از زنجیره‌های پلیمری فراهم می‌کند. شاید
بتوان در نهایت از این روش در تولید مواد جدید مختلف استفاده کرد.

جزئیات این کار در مقاله‌ای با عنوان:

“Unveiling thermal transitions of polymers in subnanometre pores”

منتشر شده است.