Умные полимеры из солнечного света
Ученым Томского политехнического университета (ТПУ) первым удалось провести процесс полимеризации — синтеза полимеров — при комнатной температуре под действием света, хотя обычно этот процесс протекает при высоких температурах. В качестве «спускового крючка» для нового типа реакций они использовали поверхностный плазмон-поляритон, сообщает пресс-служба ТПУ. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Journal of Material Chemistry A (IF: 9,931; Q1), статья также вошла в топ публикаций журнала 2019 года.
Новую концепцию полимеризации исследователи уже опробовали в лаборатории на примере синтеза умных, или функциональных, полимеров, свойства которых можно буквально программировать на стадии создания.
«В глобальном смысле мы решаем вопрос применения новых источников энергии для реализации химических реакций. Многие каталитические процессы протекают при крайне высоких температурах. И в промышленных масштабах они требуют колоссальных энергозатрат. Поэтому стоит задача снижения температуры, при которой протекают реакции, и разработки принципиально новых методов подачи энергии для химической реакции. В этом контексте ученые сейчас особое внимание обращают на свет, ведь он является экологичным источником энергии», — говорит доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.
Традиционно синтез полимеров протекает при температурах около 150 °C. С одной стороны, это влечет за собой энергетические затраты, с другой — далеко не все полимеры с интересными свойствами и нужного качества можно получать при таких условиях.
Для преодоления этих вызовов авторы статьи решили использовать плазмон-поляритон. Эти составные квазичастицы возникают вблизи поверхности твердых тел из-за колебаний электронов. По сути, они преобразуют световую энергию и благодаря этому свойству запускают полимеризацию.
«Эти частицы позволяют делать то, что раньше было просто невозможно. В данном случае — проводить реакции при комнатной температуре под действием света — лазера или просто солнечного света. В опубликованной статье мы первыми продемонстрировали такую возможность проведения контролируемой полимеризации типа NMP (nitroxide-mediated polymerization). Однако точный механизм действия плазмон-поляритонов пока неизвестен. Это следующий вызов и для нашего научного коллектива, и для других ученых», — отметил Павел Постников.
В своих исследованиях ученые синтезировали полимеры на поверхности тонких золотых пластинок — их максимальная толщина 20 нанометров. Поверхность пластинок имеет волнообразную структуру. Благодаря этой структуре пластинка эффективно возбуждает плазмон-поляритон. В качестве катализатора исследователи «подсадили» на пластинку молекулы алкоксиамина, а в качестве строительного материала использовали мономер NIPAM (N-изопропилакриламид). Затем на эту пластинку направляли лазер или использовали естественный солнечный свет — эксперименты проводились на открытом воздухе в солнечный день. Под действием света из мономера синтезировалась целая цепочка полимера PNIPAM. А после на этой цепочке из мономера вырастили второй полимер — pVBA (полимер на основе 4-винилбензолбороновой кислоты).
Оба эти полимера относятся к классу функциональных, то есть они обладают определенными свойствами, которые человек может задавать и использовать. Так, PNIPAM при температуре выше 32 °C становится нерастворимым в воде. Ученые используют это свойство, например, при создании форм для искусственных сосудистых сетей. Эти формы легко удалить, просто охладив PNIPAM.
«Интересно, что под действием солнечного света синтез проходил ничуть не хуже, чем под воздействием лазера, — говорит Павел Постников. — При этом полученная конструкция из золотой пластинки и функционального полимера на ее поверхности сама может быть очень чувствительным сенсором. В статье приведены результаты экспериментов, в которых с помощью такого сенсора мы улавливали из модельных растворов различные биологические маркеры. Сенсор получился очень чувствительным, он улавливал нужное вещество буквально в следовом количестве».
По словам ученого, пока представлены результаты в масштабах лаборатории. Но в отдаленной перспективе открытые процессы могут сделать производство полимеров более энергоэффективным, помочь ученым создать новые полимеры с полезными свойствами и суперчувствительные сенсоры для биологических исследований.
«Сейчас мы решили фундаментальную задачу, показали саму возможность синтеза полимеров при комнатной температуре под действием света. И публикация в Journal of Material Chemistry A доказывает большой интерес международной научной общественности к этим результатам. Но, конечно, мы думаем о применимости нашей концепции. Хотя, чтобы она была реализована в промышленном производстве полимеров, в частности функциональных полимеров, еще необходимо провести большой массив исследований», — пояснил Павел Постников.
Работа выполнена в сотрудничестве с учеными из Университета химии и технологии Праги, Чешского технического университета, Университета Экс-Марсель (Франция), Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН и Новосибирского государственного университета.