Istraživači na Odeljenju za hemiju Univerziteta Karnegi Melon poboljšali su popularnu tehnologiju koja se koristi za stvaranje niza industrijske plastike za primenu u rasponu od boja i premaza do lepkova i zaptivača.
Koristeći ekološki prihvatljive reakcione uslove, uključujući odvijanje reakcije u vodi sa svetlošću i bojom rastvorljivom u vodi, nova metoda nudi obećavajući pristup za stvaranje polimera na zeleniji i praktičniji način tokom procesa polimerizacije emulzije.
U komercijalnom okruženju, emulziona polimerizacija je jedan od najjeftinijih načina za pravljenje niza korisnih polimera. Proces je, međutim, ograničen, jer naučnici ne mogu precizno da kontrolišu molekulsku težinu i disperznost rezultujućih polimera. A kontrola strukture polimera je ključna za pravljenje specijalnih polimera koji imaju vrlo specifične karakteristike.
U istraživanju objavljenom u Journal of the American Chemical Society, student doktorskih studija hemije Ksiaolei Hu razvio je novu metodu — radikalnu polimerizaciju sa prenosom atoma u mini emulziji (ATRP) pomoću svetlosti — koja obezbeđuje preciznu kontrolu nad rezultujućom polimernom strukturom. Nova metoda proširuje obim polimera koji se mogu stvoriti korišćenjem emulzione polimerizacije.
„Ovo je prvi primer robusne i efikasne mini emulzije fotoATRP pod svetlošću dugih talasa, posebno crvenim i bliskim infracrvenim svetlima“, rekao je Krzisztof Matijaszevski, profesor prirodnih nauka Univerziteta J.C. Varner.
„Dalje istraživanje i primena ove tehnike u industrijskim okruženjima moglo bi dovesti do održive i ekonomske proizvodnje dobro definisanih/specijalnih polimera.“
ATRP, najrobusniji metod kontrolisane polimerizacije, omogućava naučnicima da spajaju monomere na način deo po komad. Imajući preciznu kontrolu rasta i oblika polimera, naučnici mogu stvoriti visoko prilagođene polimere sa specifičnim svojstvima.
Međutim, vođenje uspešne ATRP reakcije u emulziji predstavlja niz izazova, od kojih su mnogi prevaziđeni radom u grupi Matijaszevski. Hu, student treće godine doktorskog studija kojeg savetuje Matijaševski, koristi foto-indukovani ATRP pod svetlom duže talasne dužine kako bi se mogao efikasnije koristiti u emulziji.
Klasično, emulzione polimerizacije se pokreću dodavanjem hemijskog reagensa, objasnio je Hu, ali on je imao drugačiji cilj. Imao je za cilj da razvije zeleniju ATRP reakciju koja može da teče pod ekološki benignim reakcionim uslovima, kao što je u vodi, na otvorenom i koja može biti pokrenuta izvorom svetlosti.
„Ovih dana, fotohemija – koja u suštini koristi niskoenergetsko svetlo za iniciranje i posredovanje polimerizacije – privukla je veliku pažnju zbog lakog podešavanja i zelene prirode“, rekao je Hu.
Dok su drugi istraživači koristili svetlost da iniciraju emulzionu polimerizaciju, oni su koristili ultraljubičasto ili kratkotalasnu vidljivu svetlost, koja se raspršuje kada sija u emulziju, koja je u suštini mešavina tečnosti koje se ne rastvaraju jedna u drugoj, kao što je ulje. u vodi. Pošto se svetlost raspršuje, nije ravnomerno dostupna u celoj emulziji da bi pokrenula polimerizaciju, što dovodi do sporih reakcija sa ograničenom kontrolom konačnih svojstava polimera. Ovo je posebno važilo za velike reakcije.
Da bi zaobišao ovo pitanje, Hu se okrenuo dužim talasnim dužinama svetlosti u crvenom i bliskom infracrvenom delu spektra. Koristio je uobičajenu boju, metilen plavo, kao fotokatalizator. Fotokatalizatori su materijali koji se aktiviraju kada su izloženi svetlosti i na taj način pokreću hemijsku reakciju. Metilensko plavo je komercijalno dostupna boja rastvorljiva u vodi koja se koristi u mnogim primenama, uključujući i kao lek.
U ranijem radu objavljenom u JACS-u, Hu je otkrio da ova boja ima veoma interesantna fotohemijska svojstva koja su bila primenljiva na ATRP. On je pokazao da se metilensko plavo izuzetno dobro ponaša u homogenom rastvoru na otvorenom, što dovodi do brze i dobro kontrolisane polimerizacije.
„Bili smo zaista motivisani ovim rezultatom, pa smo radili na razvoju fotoATRP sistema za emulzije koristeći metilen plavo kao fotokatalizator pod crvenim / skoro infracrvenim svetlom“, rekao je Hu.
U trenutnom radu, Hu je otkrio da je crvena/bliska infracrvena svetlost dovela do poboljšane polimerizacije u mini-emulziji, dok UV svetlost nije rezultirala skoro nikakvom polimerizacijom. Naučnici su takođe pokazali da metilensko plavo, kada je izloženo crvenom/bliskom infracrvenom svetlu, izaziva brzo pokretanje ATRP procesa i obezbeđuje kontrolu nad polimerizacijom.
Najvažnije je, prema Huu, otkriće da duže talasne dužine svetlosti korišćene u novom pristupu održavaju efikasnu polimerizaciju čak i u većim reaktorima. „Ovo otkriće je ključno za praktičnu primenu fotoindukovane emulzione polimerizacije u komercijalnom okruženju“, rekao je Hu.
