Des pneus aux vêtements en passant par le shampoing, de nombreux produits omniprésents sont fabriqués avec des polymères, grandes molécules en forme de chaîne constituées de sous-unités plus petites, appelés monomères, liés ensemble. Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université du Delaware et de l'Université de Pennsylvanie, avec le soutien principal du U.S. Department of Energy Biomolecular Materials Program, a créé une nouvelle unité fondamentale de polymères qui pourrait inaugurer une nouvelle ère de découverte de matériaux.

Les chercheurs ont conçu et créé des supports rigides, à assembler soi-même, chaînes polymères personnalisables en reliant ensemble de nouveaux blocs de construction appelés bundlemers, un terme inventé à UD. Ils ont récemment décrit leur travail dans la revue La nature .

Pour créer des bundlemers, l'équipe assemble quatre peptides individuels, eux-mêmes de courtes chaînes d'acides aminés, en cylindres nanoscopiques. Les cylindres du bundlemer sont ensuite liés, ensemble de bout en bout grâce à une série hautement efficace et contrôlée de réactions chimiques appelées chimie « clic ». Les chaînes polymères résultantes sont rigides, des molécules en forme de bâtonnets qui sont basées sur la biologie mais qui n'existent pas dans la nature. Les chaînes Bundlemer peuvent ensuite être modifiées avec des composants tels que des polymères synthétiques ou des nanoparticules inorganiques pour créer de nouveaux nanomatériaux hybrides.

"Il y a une prémisse de base dans les matériaux que si vous pouvez contrôler la fonction et la structure, alors vous pouvez essentiellement construire n'importe quoi, " a déclaré Chris Kloxin, auteur de l'étude et professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux et d'ingénierie chimique et biomoléculaire à l'UD. « Nous avons une unité structurelle très bien définie, ce bundler, sur laquelle nous avons la possibilité d'ajouter une fonctionnalité chimique à n'importe quel endroit."

En raison de leur rigidité et de leur personnalisation, Les bundlemers pourraient être utilisés pour concevoir de nouveaux matériaux avec un large éventail d'applications, des fibres hautes performances aux plastiques à usage unique en passant par les produits biologiques, médicaments qui emploient des composants biologiques au lieu de produits chimiques traditionnels. La recherche et le développement biopharmaceutiques sont un domaine d'expertise en pleine croissance à l'Université du Delaware, abrite l'Institut national d'innovation dans la fabrication biopharmaceutique (NIIMBL).

La rigidité des bundlemers pourrait également rendre ces matériaux utiles comme substituts de matériaux réputés solides tels que l'acier des ponts, la soie dans les parachutes ou le Kevlar dans les gilets pare-balles.

Pratiquement tous les jours, co-auteur Darrin Pochan, président du département de science et génie des matériaux à l'UD, et Kloxin proposent une nouvelle application à poursuivre, suffisamment pour les occuper, eux et leurs étudiants, pendant des années.

"Notre idée est que ces bundlemers sont vraiment des blocs de construction dans tous les sens du terme, " dit Pochan. " Nous allons en construire beaucoup, de nombreux matériaux et technologies à partir de ces blocs de construction."

L'équipe a déjà déposé un brevet et prévoit d'en déposer d'autres.

L'origine des bundlemers

Pochan et co-auteur Jeffery Saven, professeur de chimie à l'Université de Pennsylvanie, collaborent depuis 2012, lorsqu'ils ont reçu une subvention DMREF de la National Science Foundation pour étudier les matériaux de conception. Kristi Kiick, Blue and Gold Distinguished Professor of Materials Science and Engineering, a également collaboré à ce projet.

Le groupe de chimie computationnelle de Saven conçoit et modélise des séquences peptidiques spécifiques afin d'identifier des candidats prometteurs pour la synthèse et la caractérisation. "Notre groupe est impliqué dans la conception et l'identification de ce qu'il faut faire, puis modéliser ces systèmes pour essayer de comprendre leur stabilité, " Saven a déclaré à propos du rôle de son groupe dans la collaboration.

Saven collabore sur de nouvelles conceptions de molécules avec Pochan et maintenant Kloxin, qui a rejoint la collaboration plus tard, où ils discutent des avantages et des inconvénients de différentes séquences peptidiques et de la meilleure façon de créer un nouveau matériau avec une propriété spécifique.

Puis, à l'UD, Pochan et Kloxin fabriquent les matériaux.

"C'est bien d'avoir des retours sur des fonctionnalités importantes à inclure dans les calculs, " a déclaré Saven à propos de l'importance des discussions itératives entre les groupes de l'UD et de Penn.

Pochan a déclaré : « Nous concevons informatiquement puis créons expérimentalement les molécules pour effectuer l'assemblage dans les blocs de construction du bundlemer, " a déclaré Pochan. "Nous ne sommes pas limités à la boîte à outils de la nature."

Toujours, malgré une planification minutieuse, les premiers résultats expérimentaux ont surpris Pochan et Kloxin, dans le bon sens. Lorsqu'ils ont vu pour la première fois les mesures de la rigidité de la chaîne du bundlemer, ils ont supposé que quelque chose n'allait pas. Habituellement, les chaînes en polymère sont lâches et flexibles comme des spaghettis, mais les polymères créés à partir de bundlemers sont plutôt longs, mince, tiges robustes.

"La rigidité était assez surprenante et bluffante, " a déclaré Pochan. Ce n'était pas une erreur. Des tests supplémentaires ont révélé que les bundlemers ont une rigidité en poids beaucoup plus élevée que presque tous les autres polymères, tels que les polymères synthétiques et l'ADN.

Après avoir synthétisé les bundlemers, l'équipe de recherche a caractérisé les matériaux à l'aide de la microscopie électronique à transmission et de la microscopie électronique à transmission cryogénique au Keck Center for Advanced Microscopy and Microanalysis. Ils ont également confirmé la taille et la structure des bundlemers grâce à des expériences de diffusion de neutrons aux petits angles au NIST Center for Neutron Research, qui a un accord de coopération avec l'Université du Delaware pour le Center for Neutron Science.

Jeff Caplan, expert en microscopie confocale et directeur de BioImaging au Delaware Biotechnology Institute, effectué une imagerie par microscopie de reconstruction optique stochastique (STORM) pour visualiser de minuscules segments dans les bundlemers. Caplan est co-auteur de la La nature papier.

Ce projet n'aurait pas été possible sans l'expertise complémentaire des chercheurs principaux. Saven excelle dans les calculs et la théorie. Kloxin excelle dans la chimie des polymères. Pochan excelle dans la synthèse et la caractérisation des matériaux.

« Nous avons beaucoup de chevauchements avec notre expertise, mais le fait est que sans l'un de nous, rien de tout cela ne serait arrivé, " dit Pochan. " Sans installations, tels que le laboratoire de microscopie Keck de l'UD, le BioImaging Center du Delaware Biotechnology Institute, et notre relation avec le NIST et le Center for Neutron Research, ce genre de travail n'aurait pas lieu."

L'avenir des groupeurs

Prochain, l'équipe vise à rendre les bundlemers plus accessibles, plus facile à synthétiser, et évolutif.

Les scientifiques du monde entier pourraient utiliser les bundlemers pour relever une grande variété de grands défis en ingénierie. "Ce sont des outils que tout le monde peut utiliser, que vous soyez chimiste, ingénieur, ou physicien, " a déclaré Pochan. " Il est même difficile de penser à un matériau équivalent ou à un outil expérimental que les gens utilisent largement. C'est comme une boîte à outils pour n'importe qui de concevoir des choses futures."