Nieuwe polymeren hebben de vorm van fractalen

Polymeer-chemici zijn zich de laatste jaren steeds meer bezig gaan houden met het verbeteren van de eigenschappen van hun produkten door te trachten de macromoleculaire architectuur nauwgezet te sturen.

Zo groeit een polymeer in het algemeen slechts in twee richtingen, waardoor lange, lineaire ketens worden gevormd. Ook vertakkingen zijn natuurlijk mogelijk, iets wat wel op bijzonder fraaie wijze wordt gellustreerd door de aan het eind van de tachtiger jaren voor het eerst gesynthetiseerde dendritische polymeren. Hierin zijn verschillende ketens vanuit één gemeenschappelijke kern uitgegroeid. Aan de zijgroepen ("uitsteeksels') van die kern worden relatief simpele moleculaire basisbouwstenen gekoppeld, waarna een groter aantal zijgroepen is gevormd. Door verder in een stapsgewijs proces basisbouwstenen keer op keer te koppelen aan steeds weer nieuw gevormde uiteinden, ontstaat een "explosieve', fractale structuur: dergelijke macromoleculen worden wel beschouwd als de grootste, enkelvoudige moleculen ooit gesynthetiseerd.

Aan de eenduidige synthese van deze macromoleculen bleken echter wel wat problemen te kleven. Het aankoppelen van steeds nieuwe basiseenheden gebeurt nooit volledig. Hierdoor bevindt zich na verloop van tijd een veelvoud aan produkten in de reactiekolf, alle in verschillende stadia van voltooiing, en het is een enorm moeilijk karwei om al deze reactieprodukten van elkaar te scheiden. Australische chemici hebben nu een oplossing voor dit probleem gevonden (Journal of the American Chemical Society 114, 8405). Zij starten niet vanuit de kern, maar vanaf de rand van het uiteindelijk te vormen molecuul, en bouwen naar binnen toe. Hierdoor ontstaan taartpunten die in een laatste stap aan elkaar gezet kunnen worden. Nu men de synthese dan eindelijk echt onder de knie lijkt te hebben, wordt het misschien tijd eens te gaan denken aan eventuele toepassingen. De belangrijkste daarvan is wellicht de mogelijkheid om specifieke medicijnen in te bouwen in ketens die zelf biologisch afbreekbaar zijn. Hierdoor ontstaat een heel gelijkmatig doseringssysteem voor geneesmiddelen.

Dergelijke toepassingen zijn heel wat moeilijker te bedenken voor een wel heel exotisch twee-dimensionaal polymeer (Science, 1 januari 1993). Uitgaande van relatief korte ketens, met daarin heel specifieke actieve groepen, zijn chemici van de University of Illinois er na uitvoerig moleculair stikwerk in geslaagd om ongeveer 10 nanometer dikke polymeer matjes te maken, met een oppervlak van soms wel een aantal vierkante micrometer! Hierin staan de oorspronkelijke ketens zonder uitzondering keurig als satéprikkers in een voetbalveld recht overeind naast elkaar. De eerste tests hebben aangetoond dat dergelijke twee-dimensionale polymeren een grotere thermische stabiliteit hebben dan analoge, een-dimensionale soortgenoten. Chemici verwachten dan ook een nieuwe generatie organische materialen te kunnen produceren met sterk verbeterde eigenschappen.