Os cientistas desenvolveram o CREATS, uma nova técnica para sequenciar polímeros sintéticos, revolucionando a compreensão de como o arranjo dos monômeros influencia as propriedades dos materiais e permitindo o projeto de polímeros para aplicações específicas. Crédito: SciTechDaily.com
Os polímeros sintéticos, onipresentes na vida moderna, incluem materiais como tecidos de náilon e poliéster, panelas revestidas de Teflon e adesivos epóxi. Em escala molecular, esses polímeros consistem em longas cadeias de monômeros, e a complexidade dessas cadeias aumenta a funcionalidade desses diversos materiais.
Em particular, os copolímeros, que consistem em diferentes tipos de monômeros na mesma cadeia, permitem o ajuste fino das propriedades do material, disse Peng Chen, professor de Química Peter JW Debye na Faculdade de Artes e Ciências (A&S). A sequência do monômero desempenha um papel crítico nas propriedades de um material, mas até agora faltava aos cientistas um método para sequenciar copolímeros sintéticos.
CREATS: uma nova técnica de sequenciamento
Chen e colegas desenvolveram CREATS (Coupled REaction Approach Toward Super-resolution Imaging), que lhes permite visualizar reações de catálise de polimerização em resolução de monômero único e, por meio de sinalização fluorescente, diferenciar monômeros uns dos outros. Ambos são passos importantes na descoberta da composição molecular de um polímero sintético.
Eles descrevem a técnica e as primeiras descobertas que fizeram com ela em um estudo recente publicado na revista Química da Natureza.
Grânulos de polímero plástico.
Os co-autores principais são Rong Ye, Xiangcheng Sun e Xianwen Mao, todos ex-pesquisadores de pós-doutorado do grupo Chen. Os coautores são os ex-pesquisadores de pós-doutorado do grupo Chen, Susil Baral e Chunming Liu, o atual pesquisador de pós-doutorado Felix Alfonso, e Geoffrey Coates, professor da Universidade Tisch em química e biologia química (A&S).
“Os polímeros sintéticos são feitos de unidades monoméricas ligadas entre si como um colar de contas”, disse Chen. Nos polímeros mais simples, os monômeros são idênticos, mas surgem propriedades mais complexas quando os polímeros contêm monômeros de tipos diferentes – chamados copolímeros. O arranjo preciso dos monômeros em um copolímero desempenha um papel importante nas suas propriedades, como rigidez ou flexibilidade.
Significado da sequência de monômero
A sequência também desempenha um papel nas propriedades dos polímeros naturais, disse Chen. Uma proteína, por exemplo, é composta por 20 aminoácidos ácido monômeros dispostos em uma sequência muito específica.
“Em um polímero natural, a natureza tem controle”, disse Chen. “Nos polímeros sintéticos, são os seres humanos que fazem os arranjos e os químicos geralmente não têm esse controle preciso.”
O sequenciamento de copolímeros é tão difícil em grande parte devido à heterogeneidade dos polímeros sintéticos, disse Chen. As cadeias individuais diferem em comprimento, composição e sequência, o que requer métodos de sequenciamento de polímero único que possam resolver e identificar monômeros individuais.
Alguns métodos modernos permitem aos cientistas controlar a disposição dos monómeros numa cadeia, disse Chen, mas apenas para polímeros muito curtos – 10 a 20 monómeros de comprimento.
O futuro do design de polímeros
Usando o CREATS, os pesquisadores podem determinar a sequência de um polímero à medida que ele é produzido, um monômero de cada vez, por meio de imagens e identificação de cada monômero à medida que é adicionado ao polímero. Para tornar os monômeros visíveis, o CREATS acopla a reação de polimerização com outra reação que produz sinais fluorescentes.
“Cada monômero que entra emite um sopro de luz”, disse Chen. “A luz é induzida por um laser, e o sopro de luz tem uma cor. No nosso caso, é verde ou amarelo. Ao ver se é amarelo ou verde, vemos qual monômero entra.”
O laboratório já está equipado para medir as propriedades dos polímeros sintéticos. Agora que eles podem determinar a sequência de um polímero individual, o próximo passo é combinar os dois experimentos para correlacionar estrutura e função, fornecendo, em última análise, princípios orientadores para o design do polímero para alcançar certas propriedades.
“Se você sabe como a sequência controla a propriedade, você pode realmente pensar em projetar qualquer sequência que deseja para atingir uma determinada propriedade”, disse Chen. “Esse conhecimento provavelmente pode ajudar as pessoas a adaptar seus materiais para uma aplicação desejada.”
Referência: “Sequenciamento óptico de polímeros sintéticos únicos” por Rong Ye, Xiangcheng Sun, Xianwen Mao, Felix S. Alfonso, Susil Baral, Chunming Liu, Geoffrey W. Coates e Peng Chen, 9 de novembro de 2023, Química da Natureza.
DOI: 10.1038/s41557-023-01363-2
A pesquisa foi financiada pelo programa de Química de Polímeros do Escritório de Pesquisa do Exército, uma diretoria do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA.
