Łatwiej szyć polimery na miarę

Cząsteczki polimerów o dowolnej architekturze, np. grzebieni, gwiazd, pierścieni, od lat można wytwarzać dzięki odkrytej m.in. przez prof. Krzysztofa Matyjaszewskiego przełomowej metodzie ATRP. Teraz naukowcy pokazali, jak można przeprowadzać takie reakcje jeszcze prościej - w obecności tlenu, w warunkach niemalże domowych.

Z polimerów są wytwarzane foliowe opakowania, plastikowe butelki, izolacje do kabli, ubrania z polaru i nylonu, podłogi z PVC czy nowoczesne lakiery do paznokci. Do polimerów należą też pokrywający patelnie teflon, czy znany z kamizelek kuloodpornych kevlar. To jednak nie tylko tworzywa sztuczne. Polimerami są bowiem również kwasy nukleinowe tworzące nasz kod genetyczny, a także budujące organizm białka.

"Naszym celem jest wytwarzanie polimerów szytych na miarę" - mówi w rozmowie z PAP prof. Krzysztof Matyjaszewski z amerykańskiego Carnegie Mellon University (CMU). Zespół naukowca opracował 25 lat temu przełomową metodę ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization - polimeryzacja rodnikowa z przeniesieniem atomu). Ta metoda pozwala na superprecyzyjne wytwarzania polimerów o z góry zaprojektowanej architekturze. Dzięki temu odkryciu Polak otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (2004), Nagrodę Wolfa (2011), Medal Benjamina Franklina (2017) i co roku jest wymieniany w ścisłej światowej czołówce kandydatów do Nagrody Nobla. Jest jednym z najczęściej cytowanych na świecie polskich chemików.

"Wyobraźmy sobie, że polimery wyglądają w powiększeniu jak łańcuchy korali długie na dziesiątki czy setki metrów" - porównuje naukowiec. Dodaje, że dzięki ATRP można dokładnie zaprojektować, jak będzie wyglądał sznur takich korali: które po kolei kolory będą po sobie następować, gdzie i w jaki sposób sznur będzie się rozgałęział, jaki będzie miał kształt i w którym jego miejscu będą umieszczone najcenniejsze koraliki.

W ten sposób można tworzyć polimery choćby o kształcie grzebieni, pierścieni, gwiazd, drzewek czy całych sieci. Jeśli zaś odpowiednio zaprojektuje się kształt i skład polimeru - zyskuje on pożądane właściwości fizyko-chemiczne. Dlatego projektować już można np. polimery, które pod wpływem określonych bodźców rozszerzają się lub kurczą, same się organizują lub naprawiają uszkodzenia. Mogą to być materiały supermiękkie, wyjątkowo twarde lub np. o bardzo małym współczynniku tarcia. Prof. Matyjaszewski opowiada, że na korzystanie z reakcji ATRP udzielono już na świecie 17 licencji firmom.

Do tej pory problemem było jednak to, że reakcja ATRP musiała przebiegać w warunkach ściśle beztlenowych. Obecność tlenu w otoczeniu uniemożliwiała polimeryzację. Polimery przygotowywano więc w specjalnych komorach rękawicowych lub za pomocą linii próżniowych oraz konieczne było odtlenienie wszystkich składników przed przeprowadzeniem reakcji. "A to było kłopotliwe. Zastanawialiśmy się, czy można to zrobić łatwiej" - tłumaczy prof. Matyjaszewski. Teraz badacze z jego zespołu znaleźli sposób. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Chemical Science.

"Dzięki temu zamiast przeprowadzać reakcje w odizolowanych układach, można to robić w otwartym naczyniu, na zwykłym stole. Wystarczy proste naczynie reakcyjne jak zwykła szklana fiolka lub szklanka, do którego należy dodać wszystkie niezbędne składniki i je wymieszać. Tak otrzymany "koktajl" ATRP naświetla się promieniami UV przez pół godziny i gotowe" - opisuje prof. Matyjaszewski.

A dr Grzegorz Szczepaniak z CMU i Uniwersytetu Warszawskiego, który brał udział w odkryciu (badania w ramach stypendium Mobilność Plus z resortu nauki), wymienia, że skoro reakcję ATRP można teraz łatwo prowadzić w obecności tlenu, zmniejszą się koszty wytwarzania polimeru, bo nie trzeba korzystać z wyrafinowanej aparatury. To powoduje również, że ta nowa metoda polimeryzacji będzie mogła być stosowana przez badaczy, którzy nie są ekspertami w tej dziedzinie. W ten sposób każdy, kto potrzebuje zaawansowanych materiałów szytych na miarę, będzie mógł je w bardzo prosty sposób otrzymać w swoim laboratorium. Jedną z innych zalet nowej metody ATRP jest to, że umożliwia ona otrzymywanie polimerów w krótkim czasie, co ułatwia i przyspiesza proces odkrywania nowych materiałów.

Wśród autorów publikacji w "Chemical Science" oprócz prof. Matyjaszewskiego i dr. Szczepaniaka są też inni Polacy - Matylda Łagodzińska (Uniwersytet w Oxfordzie) i dr Adam Gorczyński (Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu).

Ludwika Tomala