Wat hebben Marvels Avengers en oligomeren met elkaar gemeen? Het op een willekeurige manier samenbrengen is in beide gevallen niet de beste aanpak. Je hebt een plan nodig. Hoe je oligomeren assembleert en hoe je ze verwerkt, is net zo belangrijk als je ontwerp van de moleculaire structuren. ‘De precisie waarmee je oligomeren kunt synthetiseren speelt een grote rol in hun populariteit binnen de nanotechnologie’, zegt Ghislaine Vantomme, universitair docent macro-organische chemie aan de TU Eindhoven. ‘In de nanotechnologie moet je structuren met een hoge precisie maken die op moleculair niveau perfect gedefinieerd zijn, waarbij je de afstand tussen domeinen verkleint en de ordening over lange afstanden verbetert, zodat je uiteindelijk de functie van de materialen die je wilt maken kunt sturen.’ 

Biologische precisie

Discrete oligomeren zijn geschikter dan polymeren, omdat de lengte van polymeren varieert, terwijl oligomeren altijd dezelfde lengte hebben wanneer je ze synthetiseert, aldus Vantomme. Een van haar onderzoeksdoelen is om de synthese zo in te richten dat deze moleculair perfecte oligemeren ook interessante structuren en ongewone eigenschappen verkrijgen.

‘Het was een hele uitdaging was om een fatsoenlijke hoeveelheid te synthetiseren’ 

Een voorbeeld hiervan is een recent artikel gepubliceerd in Chemistry A European Journal, waarvoor Vantomme samenwerkte met de groepen van Bert Meijer (TU Eindhoven), Steven De Feyter (KU Leuven) en Alain Jonas (UC Louvain). Ze concentreerden zich op zelf-assemblerende oligomeren van naftaleendiimide (NDI). ‘Het maakt deel uit van een groter door de FWO en FNRS gefinancierd Excellence of Science project dat kijkt naar sequentie-gedefinieerde polymeren om materialen te maken met biologische precisie’, zegt Vantomme. ‘Een heersend idee in het veld is momenteel dat je alleen maar heel precies hoeft te zijn in de synthese van het oligomeer. Helaas is het veel ingewikkelder dan dat.’

Uitdaging

Het artikel beschrijft de synthese en karakterisering van de NDI-oligomeren in bulk, in oplossing en op het grensvlak tussen vloeistof en vaste stof. Vantomme: ‘We synthetiseerden de moleculen in Eindhoven, Alain hielp bij het karakteriseren van de structuren in bulk en Steven en zijn groep gebruikten hun expertise in scanning-tunnelling microscopie om het grensvlak te karakteriseren.’ De synthese was bijzonder uitdagend en het kostte eerste auteurs Christiaan Corbet en Bas de Waal erg veel tijd om de oligomeren in handen te krijgen. ‘Er waren veel stappen nodig, de oplosbaarheid was slecht en het zuiveren van de verbinding was moeilijk, waardoor het een hele uitdaging was om een fatsoenlijke hoeveelheid te synthetiseren.’

Dat was niet de enige uitdaging. ‘De oligomeren vormen nanostructuren. Maar toen we ze karakteriseerden, waren we een beetje teleurgesteld over hun ordening’, zegt Vantomme voorzichtig. ‘De lengte van de flexibele onverzadigde ketens die de NDI bij elkaar houden, zorgt ervoor dat de nanostructuren niet perfect zijn. Maar we konden niet zonder de lange ketens vanwege de oplosbaarheid.’ Ondanks de uitdagingen toonde dit wel het belangrijkste idee van het artikel aan. ‘Het liet zien hoe belangrijk het is om de pathwayselectie en de verwerkingsomstandigheden te controleren om de nanostructuren te krijgen die je wilt.’

Toepassingen

Maar als dat allemaal lukt, krijg je wel mooie structuren. Om het artikel te citeren: ‘In het algemeen hebben de NDI-oligomeren de neiging om lamellaire morfologieën te vormen via kristallisatiegedreven assemblage. De oligomeren met kortere linkers assembleren zich bij voorkeur in een verlengde conformatie, terwijl de oligomeren met langere linkers een mengsel laten zien van gevouwen-ketenconformaties en ongeordende morfologieën door de aanwezigheid van de onverzadigde spacers.’

Wat voor toepassingen heeft Vantomme in gedachten? ‘Mijn droom is om supramoleculaire materialen te gebruiken voor brein-geïnspireerde computers’, zegt ze, waaraan ze lachend toevoegt: ‘Misschien kun je dit materiaal wel gebruiken voor een nieuwe superkracht van de Avengers, maar zover zijn we nog niet.’ Vantomme merkt op dat dit onderzoek zich ook meer aan de fundamentele kant bevindt. ‘Bovendien belemmert de moeilijkheid van synthese ook toepassingen.’

Toch vindt Vantomme dit belangrijk werk voor de nanotechnologie en waardeert ze de samenwerking. ‘Collabs zijn essentieel om het veld verder te brengen, omdat het zo complex wordt als je interdisciplinaire velden, synthese en analyse combineert. Ik ben erg blij dat we met dit soort financiering grenzen kunnen overschrijden.’ Om met de auteurs af te sluiten: ‘Met deze studie worden de grenzen in oligomeersynthese, moleculaire analyse en geordende supramoleculaire assemblages van precieze oligomeermaterialen verlegd, terwijl tegelijkertijd de beperkingen van deze aanpak duidelijk worden gemaakt.’

Corbet, C.H.W.A. et al. (2023) Chem. Eur. J. e202303107, DOI: 10.1002/chem.202303107 (Open Access)