Un experimento muestra que el crecimiento de una cadena de polímero va a estirones | October 23, 2017 Issue - Vol. 95 Issue 42 | Chemical & Engineering News
Volume 95 Issue 42 | p. 4
Issue Date: October 23, 2017 | Web Date: October 19, 2017

Un experimento muestra que el crecimiento de una cadena de polímero va a estirones

Científicos observan por primera vez cómo los catalizadores producen cadenas poliméricas en serie
Department: Science & Technology
Keywords: Reaction dynamics, polymerization, ROMP, magnetic tweezers
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Al anclar la cadena polimérica a una lámina de cristal (en gris) y a una partícula magnética (esfera naranja), enlazada a su vez al catalizador de rutenio (la molécula se muestra en la parte derecha), los científicos pudieron ver la dinámica a estirones de la polimerización por apertura de anillo tirando de la cadena con unas pinzas magnéticas
Credit: Adaptado de Science
A schematic diagram shows how magnetic tweezers can be used to monitor polymer chain growth in real time, revealing that the polymer forms tangles around the catalyst that periodically unravel before a new tangle forms.
 
Al anclar la cadena polimérica a una lámina de cristal (en gris) y a una partícula magnética (esfera naranja), enlazada a su vez al catalizador de rutenio (la molécula se muestra en la parte derecha), los científicos pudieron ver la dinámica a estirones de la polimerización por apertura de anillo tirando de la cadena con unas pinzas magnéticas
Credit: Adaptado de Science

Cuando los químicos piensan en polimerización, normalmente se lo imaginan cómo un polímero con forma de gusano va saliendo lenta y continuadamente de un catalizador. Pero la forma real en la que los polímeros crecen se ha mantenido oculta debido las limitaciones de las técnicas analíticas. 

Gracias a unas pinzas magnéticas, un microscopio óptico y otras técnicas espectroscópicas, un grupo de investigadores de la Universidad Cornell (Nueva York, EE.UU.) encabezados por Peng Chen, Geoffrey W. Coates y Fernando A. Escobedo han conseguido por primera vez ver el crecimiento de una cadena polimérica individual en tiempo real. El resultado de sus experimentos es sorprendente y totalmente inesperado: en vez de crecer constantemente, los polímeros se forman alternando periodos de latencia y aceleración.

Ayudados de simulaciones informáticas de dinámica molecular, los científicos atribuyen este errático mecanismo a la formación de nudos y marañas en la cadena polimérica alrededor del catalizador –que han denominado bolas de pelo– según miles de unidades monoméricas se van añadiendo a la cadena en crecimiento. Estas bolas de pelo se desenredan esporádicamente tras un par de minutos, para empezar a formarse una nueva bola tras ello.

Además de ayudar a entender mejor la actividad del catalizador, las velocidades de polimerización y las propiedades macroscópicas del polímero, los investigadores sugieren que el descubrimiento del crecimiento a estirones podría tener relevancia en cómo las células producen biopolímeros como proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos (Science 2017, DOI: 10.1126/science.aan6837).

Para Suzanne A. Blum, de la Universidad de California en Irvine (California, EE.UU.), este descubrimiento es brillante. Su grupo de investigación tiene experiencia en el uso de moléculas marcadas por fluorescencia para el estudio dinámico de moléculas individuales. En uno de sus últimos trabajos, emplearon esta estrategia para ver la actividad catalítica mientras monómeros marcados iban añadiéndose a una cadena polimérica en crecimiento (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201708284).

Este reciente descubrimiento de etapas alternantes latencia-aceleración para el proceso de extensión de polímeros había estado oculto hasta ahora ya que los métodos de caracterización daban valores promedio del conjunto, explica Blum. Las técnicas que utilizan los científicos, como la dispersión dinámica de luz, observan todas las moléculas de una muestra a la vez y obtienen información sobre la distribución del tamaño de las cadenas y otros parámetros de los polímeros. Blum añade que el empleo de técnicas aplicadas a moléculas individuales evita las limitaciones del promediado poblacional pero que, en ocasiones, pueden ser un arma de doble filo debido a la dificultad de interpretar los datos obtenidos sin poder corroborarlos con métodos espectroscópicos. Al incluir simulaciones de dinámicas moleculares, el equipo de la Universidad Cornell pudo conseguir una imagen mucho más clara de los cambios conformacionales en el polímero en crecimiento.

Según Blum, “la capacidad de ver dinámicas moleculares en una reacción con tanta importancia como la polimerización, así como poder entenderlas por medio de simulaciones, es un avance tecnológico muy excitante”.

En el experimento monomolecular, los investigadores de la Universidad Cornell fijaron el extremo libre de una cadena polimérica a una superficie de cristal con una unión de tipo silano. En el extremo opuesto, anclaron el catalizador de rutenio, que dirige el crecimiento polimérico, a una partícula magnética usando unas pinzas magnéticas. Al monitorizar la posición de la partícula magnética, el equipo pudo observar a tiempo real el crecimiento de la cadena durante la polimerización por apertura de anillo.

“Es un estudio científico soberbio”, comenta Craig J. Hawker, de la Universidad de California en Santa Bárbara (California, EEUU). Su equipo ha publicado recientemente la síntesis de copolímeros en un sólo reactor (one-pot) empleando cinco monómeros diferentes con diversas propiedades (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201707646). Hakwer sugiere que el nuevo procedimiento de visualización del crecimiento polimérico podría ayudar a otros científicos a entender cómo controlar mejor procesos de polimerización inusuales y a permitirles mejorar las propiedades macroscópicas de cadenas poliméricas, llegando así a diseñar nuevos materiales funcionales.

 “La prometedora imagen que nos ha dado el equipo de la Cornell de cómo los polímeros alargan sus cadenas va a esclarecer muchas incógnitas sintéticas presentes desde los inicios de la química de polímeros”, anade Hakwer. “Este trabajo va a tener importantísimas consecuencias más allá de las dínamicas monocatenarias”.  


Traducción al español producida por Greco González Miera de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.

 
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ISSN 0009-2347
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