Les polymères synthétiques sont partout dans notre société, des vêtements en nylon et polyester aux ustensiles de cuisine en téflon et à la colle époxy. Au niveau moléculaire, les molécules de ces polymères sont constituées de longues chaînes de blocs de construction monomères, dont la complexité augmente la fonctionnalité dans de nombreux matériaux de ce type.
En particulier, les copolymères, constitués de différents types de monomères dans la même chaîne, permettent d'affiner les propriétés du matériau, a déclaré Peng Chen, du directeur Peter J.W. Professeur Debye de chimie au Collège des Arts et des Sciences (A&S). La séquence des monomères joue un rôle essentiel dans les propriétés d'un matériau, mais jusqu'à présent, les scientifiques ne disposaient pas d'une méthode pour séquencer les copolymères synthétiques.
Chen et ses collègues ont développé CREATS (Coupled REaction Approach Toward Super-resolution Imaging), qui leur permet d'imager les réactions de catalyse de polymérisation à une résolution monomère et, grâce à la signalisation fluorescente, de différencier les monomères les uns des autres. Ces deux étapes sont importantes dans la découverte de la composition moléculaire d'un polymère synthétique.
Ils décrivent la technique et les premières découvertes qu'ils ont faites dans "Optical Sequencing of Single Synthetic Polymers", publié dans Nature Chemistry. .
Les co-auteurs principaux sont Rong Ye, Xiangcheng Sun et Xianwen Mao, tous anciens chercheurs postdoctoraux du groupe Chen. Les co-auteurs sont Susil Baral et Chunming Liu, anciens chercheurs postdoctoraux du groupe Chen, l'actuel chercheur postdoctoral Felix Alfonso et Geoffrey Coates, professeur de chimie et de biologie chimique (A&S) à l'Université Tisch.
"Les polymères synthétiques sont constitués d'unités monomères liées entre elles comme un collier de perles", a expliqué Chen. Dans les polymères les plus simples, les monomères sont identiques, mais des propriétés plus complexes apparaissent lorsque les polymères contiennent des monomères de différentes sortes, appelés copolymères. La disposition précise des monomères dans un copolymère joue un rôle important dans ses propriétés, telles que la rigidité ou la flexibilité.
La séquence joue également un rôle dans les propriétés des polymères naturels, a déclaré Chen. Une protéine, par exemple, est composée de 20 monomères d'acides aminés disposés dans une séquence très spécifique.
"Dans un polymère naturel, la nature a le contrôle", a déclaré Chen. "Dans les polymères synthétiques, ce sont les humains qui prennent les dispositions nécessaires, et les chimistes n'ont généralement pas ce contrôle précis."
Le séquençage des copolymères est si difficile en grande partie à cause de l'hétérogénéité des polymères synthétiques, a déclaré Chen. Les chaînes individuelles diffèrent en longueur, en composition et en séquence, ce qui nécessite des méthodes de séquençage de polymère unique capables de résoudre et d'identifier les monomères individuels.
Certaines méthodes modernes permettent aux scientifiques de contrôler la disposition des monomères dans une chaîne, a expliqué Chen, mais uniquement pour les polymères très courts (10 à 20 monomères de long).
Grâce à CREATS, les chercheurs peuvent déterminer la séquence d'un polymère au fur et à mesure de sa fabrication, un monomère à la fois, en imaginant et en identifiant chaque monomère au fur et à mesure de son ajout au polymère. Pour rendre visibles les monomères, CREATS couple la réaction de polymérisation avec une autre réaction qui produit des signaux fluorescents.
"Chaque monomère entrant émet une bouffée de lumière", a déclaré Chen. "La lumière est induite par un laser et la bouffée de lumière a une couleur. Dans notre cas, elle est soit verte, soit jaune. En voyant si elle est jaune ou verte, nous voyons quel monomère entre."
Le laboratoire est déjà équipé pour mesurer les propriétés des polymères synthétiques. Maintenant qu'ils peuvent déterminer la séquence d'un polymère individuel, la prochaine étape consiste à combiner les deux expériences pour corréler la structure et la fonction, fournissant ainsi des principes directeurs pour la conception du polymère afin d'atteindre certaines propriétés.
"Si vous savez comment la séquence contrôle la propriété, vous pouvez vraiment penser à concevoir la séquence que vous souhaitez pour obtenir une certaine propriété", a déclaré Chen. "Cette connaissance peut probablement aider les gens à adapter leurs matériaux à une application souhaitée."
Plus d'informations : Rong Ye et al, Séquençage optique de polymères synthétiques uniques, Nature Chemistry (2023). DOI :10.1038/s41557-023-01363-2
Informations sur le journal : Chimie naturelle
Fourni par l'Université Cornell
