Учёные обнаружили синтетическую макромолекулу, похожую на спираль ДНК

Ведущий автор работы Луис Мэдсен (слева). Он обнаружил, что молекулы полимера PBDT обладают спиралевидной структурой.

Фото Virginia Tech.

Рентгенограмма макромолекулы PBDT (слева) напоминает изображение ДНК, полученное около 70 лет назад. Базовая молекулярная структура – вверху справа, компьютерное моделирование – внизу справа.

Иллюстрация Virginia Tech.

Международная команда учёных обнаружила, что макромолекулы одного из высокопрочных полимеров имеют необычную структуру. Называется материал PBDT (poly-2,2'-disulfonyl-4,4'-benzidine terephthalamide), это представитель ароматических полиамидов, или арамидов. Оказалось, макромолекула PBDT имеет форму двойной спирали, подобную форме молекулы ДНК. Удивление вызывает тот факт, что она синтетическая, то есть в природе не встречается.

"Этот полимер существует уже около 30 лет, и никто до сих пор не понял, что это двойная спираль. Двойные спирали в синтетических системах не встречаются. Это неслыханный случай", – объясняет руководитель научной группы химик Луис Мэдсен (Louis Madsen) из Политехнического университета Виргинии в США.

Открытие было сделано в рамках разработки полимерного ионного геля, способного заменить обычные электролиты в батареях, которые сегодня создаются на основе легковоспламеняющихся жидкостей (и это большая проблема).

Эксперименты показали, что полимер PBDT, смешиваясь с ионами в жидкости, образует твёрдый электролит, подходящий для аккумуляторов энергии.

"Мы обнаружили, что этот электролит имеет очень хорошую проводимость, а также является механически жёстким. Но мы захотели понять, почему он работает так хорошо", – рассказывает Мэдсен.

Его команда использовала несколько различных методик, чтобы исследовать полимер.

В частности, учёные прибегли к рентгеновской дифракции (к слову, благодаря этой методике в начале 1950-х годов было доказано, что молекулы ДНК имеют спиралевидную структуру). Затем они подтвердили свои результаты при помощи ЯМР-спектроскопии и метода молекулярной динамики.

Чтобы лучше изучить свойства полимера, специалисты создали беспрецедентные вычислительные модели.

"Имитация самосборки для формирования двойной спиральной структуры – я никогда не слышал об этом, кроме того, что это проделывали для ДНК. Но для симуляции [молекул полимера] это очень сложно. Однако это чудесным образом сработало. Мы испробовали множество разных условий, но результаты были надёжными, что дало нам уверенность, что это настоящая двойная спираль", – рассказывает соавтор работы Жуй Цяо (Rui Qiao) из Политехнического университета Виргинии.

Рентгенограмма макромолекулы PBDT (слева) напоминает изображение ДНК, полученное около 70 лет назад. Базовая молекулярная структура – вверху справа, компьютерное моделирование – внизу справа.
Рентгенограмма макромолекулы PBDT (слева) напоминает изображение ДНК, полученное около 70 лет назад. Базовая молекулярная структура – вверху справа, компьютерное моделирование – внизу справа.
Иллюстрация Virginia Tech.

Исследователи отмечают, что подобные структуры часто встречаются в природе, и хорошо известно, что они обладают важным преимуществом: имеют высокую жёсткость при изгибе. Так, молекула ДНК демонстрирует коэффициент жёсткости около 20 к 1.

Между тем коэффициент жёсткости молекул PBDT составляет 1000 к 1. То есть полимер входит в число рекордсменов по этому показателю.

Это пригодится для создания новых композитов – инженерных материалов, которые включают в себя несколько компонентов и демонстрируют "улучшенный" набор свойств. Примерами композитов могут служить зубные пломбы, фюзеляжи самолётов или автомобильные шины. В случае последних, к примеру, основным материалом – пластичной основой – служит резина, а дополнительную прочность ей придают армирующие волокна.

По словам учёных, для достижения характеристик, сравнимых с обычными усиливающими наполнителями в составе композитов, потребуется лишь небольшое количество полимера PBDT. А процесс его создания чрезвычайно простой и недорогой (что немаловажно).

"Если вы используете обычные наполнители в композите, их доля может составлять 10%, только в этом случае вы получите нужные свойства. Но PBDT имеет такие показатели, что хватит и 1-2%, чтобы значительно улучшить характеристики материала", – поясняет Мэдсен.

По его словам, полимер можно будет использовать для улучшения самых разных материалов, например, аэрокосмических. Композиты с включением полимера будут лёгкими и менее дорогими, чем их аналоги.

"Применение PBDT будет ограничено лишь нашим воображением. По мере того как люди будут узнавать об этом материале, они будут придумывать новые способы его применения. Что из этого получится, мы пока и представить не можем", – заключает Жуй Цяо.

Научная статья по итогам этой работы опубликована в журнале Nature Communications.

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как "арматура" из нанотрубок помогла увеличить прочность материала будущего – графена. А морские ежи тем временем подсказали учёным секрет рекордно прочного цемента.