Regolazione mirata della distribuzione della lunghezza di catena dei polimeri

? difficile immaginare la nostra vita quotidiana senza materiali realizzati con polimeri sintetici. Vestiti, parti di automobili, computer o imballaggi: tutti sono fatti di materiali polimerici. Anche in natura esistono numerosi polimeri, come il DNA o le proteine.

L'architettura dei polimeri è universale: sono composti da blocchi di base chiamati monomeri. Durante la sintesi dei polimeri, i monomeri sono collegati tra loro per formare lunghe catene. Un'analogia semplice è quella di infilare perle di vetro su un filo per creare catene di diversa lunghezza (e peso).

Processo di polimerizzazione con limiti

La polimerizzazione a radicali liberi (FRP) è un importante processo industriale per la produzione di polimeri. L'industria chimica utilizza questo processo per produrre ogni anno 200 milioni di tonnellate di polimeri di ogni tipo, come il poliacrilico, il cloruro di polivinile (PVC) e il polistirene.

Sebbene questo metodo di produzione presenti numerosi vantaggi, ha anche dei limiti. Durante la polimerizzazione radicale, si crea in modo incontrollabile una miscela composta da innumerevoli specie polimeriche di diversa lunghezza, ovvero con un'elevata dispersione. La dispersità è una misura di quanto sia uniforme o meno la lunghezza delle catene polimeriche in un materiale. La dispersità determina anche in larga misura le proprietà del materiale.

Per i materiali polimerici di uso quotidiano sono necessari polimeri con dispersione sia alta che bassa. In effetti, per molte applicazioni high-tech come i prodotti farmaceutici o la stampa 3D, l'alta dispersione può addirittura essere un vantaggio.

Polimeri con nuove proprietà

Tuttavia, se i chimici vogliono produrre materiali polimerici con proprietà molto specifiche, devono innanzitutto essere in grado di regolare la dispersione come richiesto. Ciò consente di produrre un'ampia gamma di materiali polimerici che presentano specie polimeriche uniformi, cioè a bassa dispersione, oppure altamente disperse con un gran numero di polimeri di lunghezza diversa. Finora questo non era praticamente possibile.

Ora, però, un gruppo di ricercatori guidati da Athina Anastasaki, professoressa di materiali polimerici presso il Dipartimento di scienze ed ingegneria dei materiali, ha sviluppato un metodo di polimerizzazione radicale che permette di controllare sistematicamente e completamente la dispersione dei materiali polimerici. I risultati di ricerca sono stati appena pubblicati sulla rivista scientifica "Chem".

Per poter controllare almeno in parte la polimerizzazione radicale, i chimici hanno utilizzato un solo catalizzatore. Ciò garantisce che le catene polimeriche risultanti siano di lunghezza uniforme. Tuttavia, ciò significa che la dispersione complessiva non può essere controllata come desiderato.

Utilizzo di due catalizzatori

Per la prima volta, i ricercatori dell'ETH hanno utilizzato contemporaneamente due catalizzatori con effetti diversi: uno altamente attivo, l'altro meno attivo. Chi siamo ha potuto regolare con precisione il rapporto di miscelazione dei due catalizzatori. Se il rapporto era a favore del catalizzatore più attivo, si producevano polimeri più uniformi e quindi un materiale a bassa dispersione. Se invece il catalizzatore meno attivo era in maggioranza, si produceva un gran numero di molecole polimeriche diverse.

Anastasaki e i suoi collaboratori hanno così creato una base per lo sviluppo di nuovi materiali a partire dai polimeri. Il processo è anche scalabile: non funziona solo in laboratorio, ma può essere applicato a grandi quantità di materiale. Un altro vantaggio di questo metodo è che anche i polimeri ad alta dispersione possono continuare a crescere dopo la polimerizzazione, cosa che prima era considerata impossibile.

L'elevata efficienza e la scalabilità dell'approccio hanno già suscitato l'interesse dell'industria. I polimeri prodotti con il nuovo processo potrebbero essere utilizzati in medicina, nei vaccini, nei cosmetici o nella stampa 3D.