Bir buz hokeyi maçını izledirseniz üç devreyi de boyalarda, yapıştırıcılarda ve cam ikamelerinde yaygın olarak kullanılan bir polimer türü olan metakrilata bakarak geçirirsiniz. Ancak bu malzemenin hokey disklerini engellemekten daha incelikli uygulamalar için -örneğin ilaç dağıtım mekanizmalarında- kullanılması, anyonik polimerizasyon adı verilen ve gerçekleştirilmesi zor ve hatta tehlikeli olan son derece kontrollü bir süreç gerektiriyor.
Şimdi Cornell kimyagerleri, metakrilat için hassas bir şekilde kontrol edilen ve karbondioksitin (CO2) aracılık ettiği kullanıcı dostu, ölçeklenebilir bir anyonik polimerizasyon süreci geliştirdi. Metakrilatın ileri uygulamalarını geliştirmek için faydalı olan bu süreç, metal içermeyen piller geliştirmek için çalışan mühendisler gibi araştırmacılara şimdiden fayda sağlıyor ve biyomedikal ortamlarda gelecekte potansiyel uygulamaları var. Fen-Edebiyat Fakültesi (A&S) Kimya ve Kimyasal Biyoloji Bölümünde Frank ve Robert Laughlin Fiziksel Kimya Profesörü olan Brett Fors, “Anyonik polimerizasyonları daha erişilebilir ve daha güvenli hale getirmek, bilim camiasının yeni nesil malzemeler yapmak için bu güçlü yöntemleri kullanmasına olanak sağlayacaktır” dedi.
Fors, Nature Chemistry yayınında yayınlanan “Controlled Anionic Polymerization Mediated by Carbon Dioxide” başlıklı makalenin sorumlu yazarıdır. İlk yazar ise doktora öğrencisi Paige Jacky, M.S. ‘23. Kimya ve kimyasal biyoloji (A&S) alanında Klarman Doktora Sonrası Araştırmacısı Alexa Easley ise yardımcı yazar. Easley, anyonik polimerizasyonun, hassas kontrolün bilim insanlarının malzemenin yapısı ve özelliklerinin nasıl ilişkili olduğunu anlamalarına olanak tanıdığı, iyi tanımlanmış moleküler yapılara sahip malzemeler yapmak için güçlü bir yol olduğunu söyledi. Easley, “İlaç dağıtımı gibi özel uygulamalar için, Gıda ve İlaç İdaresi’ne tam bir polimer içeren bir plan sunuyorsanız, Pleksiglas’ın sahip olmadığı çok bilinen bir yapıya sahip olmanız gerekir” dedi. “Cam ikamesi, spor etkinliklerinde bizi korumak gibi yaptığı iş için harika, ancak yapısal kontrole daha fazla ihtiyaç duyulan bu biyomedikal uygulamalar için kullanılamaz.” Mevcut anyonik polimerizasyon yöntemlerini uygulamak zordur ve genellikle tehlikelidir; toksik metaller, patlayıcı veya havada kendiliğinden alev alabilen kimyasallar veya nihai malzemeyi kirleten diğer bileşikler gerektirir. Bu yöntemlerden bazıları çok düşük sıcaklıklar gerektirir ve neme ve havaya karşı hassastır. Buna karşılık, Cornell ekibinin CO2 aracılı tersinir deaktivasyon anyonik polimerizasyon (CMAP) adı verilen yöntemi basittir ve tek bir kap gerektirir. Bir karbondioksit atmosferi artı bir başlatıcı kullanır ve derin soğuk yerine ulaşılması kolay ısıtma yoluyla çalışır. İyi tanımlanmış malzemeler üretir. Başlatıcının basit sentezi ve sürecin “tek pot” doğası, anyonik polimerizasyonu özel kimya laboratuvarlarının dışında kullanılabilecek erişilebilir bir araç haline getiriyor.
Jacky, yöntemin anahtarlarının karbondioksit ve ısı olduğunu söyledi. Tersinir başlatıcılar (bir reaksiyonu hem başlatmak hem de durdurmak için kullanılan kimyasallar) üzerine yapılan son araştırmalardan esinlenerek karbondioksite yöneldi: bu bağlamda nispeten bol, ucuz ve toksik değil. Tipik olarak, karbondioksit anyonik polimerizasyonlarda sonlandırıcı bir madde olarak kabul edilir, ancak o “ısı uygularsanız sürecin tersine çevrilebilir olduğunu” keşfetti. Karbondioksit reaksiyonu hızla başlatıyor ve durduruyor. Ayrıca çok reaktif olan anahtar bir bileşen olan enolatı koruyor ve stabilize ediyor. Araştırmacılar, Easley’nin Klarman Fellow araştırması sırasında karbondioksit yakalama için molekülleri izlemek üzere geliştirdiği bir düzeneği kullanarak yöntemi test ettiler.
CMAP yönteminin endüstri için ölçeklendirilmesi için hala çalışma yapılması gerekiyor, ancak araştırmacılar bu çalışmanın diğer anyonik olarak polimerize edilebilir vinil monomerler için gelecekteki benzer tersinir deaktivasyon stratejilerine ilham vereceğine inanıyorlar. Ayrıca yöntemin, metakrilat malzemelerin anyonik polimerizasyonunu daha geniş bir bilimsel topluluk için daha ulaşılabilir hale getirmesini umuyorlar. Easley de dahil olmak üzere bazı araştırmacılar tarafından halihazırda kullanılıyor. Easley, Texas A&M Üniversitesi’nde mühendislik yüksek lisans öğrencisiyken metalsiz bir pil için polimer yapmaya çalışmış, ancak mevcut tek yöntem olan piroforik başlatıcıları kullanmak işe yaramamış. “Bunu yapmak için birçok yol denedim ve asla başaramadım” dedi. Ama şimdi, CMAP kullanarak, “başardık.”
