Synthese cyclischer Polymere und Charakterisierung ihrer Diffusionsbewegung im geschmolzenen Zustand auf der Einzelmolekülebene

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Diffusionsbewegung von topologischen Polymeren, insbesondere zyklischen Polymeren, unter verschränkten Bedingungen auf Einzelmolekülebene zu charakterisieren. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen im Bereich der Polymerphysik zu beantworten, wie z.B. die topologieabhängige räumlich-zeitliche Dynamik von Polymeren. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass heterogene Diffusion auf der Ebene der einzelnen Kette quantitativ charakterisiert werden kann, die normalerweise auf einer bestimmten Ebene verborgen ist.

Um dieses Verfahren zu starten, lösen Sie Perylendiimidsalz in 150 Millilitern Wasser und lösen Sie dann monofunktionelles Poly(THF) in vier Millimeter Aceton auf. Geben Sie die Acetonlösung tropfenweise zu der kräftig gerührten wässrigen Lösung. Sammeln Sie den gebildeten Niederschlag durch Vakuumfiltration.

Als nächstes bereiten Sie eine Lösung von fünf Milligramm pro Milliliter des Niederschlags in Toluol vor. Reflux die Lösung für vier Stunden. Nachdem Sie die Lösung abkühlen gelassen haben, entfernen Sie das Lösungsmittel unter reduziertem Druck durch Rotationsverdampfung vollständig.

Wenn Sie fertig sind, lösen Sie den Rückstand in einer 2:1-Mischung aus n-Hexan:Aceton auf und filtrieren Sie die resultierende Lösung durch einen Stopfen aus Kieselgel. Geben Sie dann die gefilterte Lösung in eiskaltes Wasser, um das Produkt auszufällen. Um die Polymerschmelzeprobe vorzubereiten, geben Sie 100 Mikroliter unmarkiertes lineares Poly(THF) in eine Glasflasche und erhitzen Sie es mit einem Fön auf etwa 25 Grad Celsius.

Bereiten Sie eine 10 bis minus sechs molare Lösung der in Chloroform eingebauten Polymerlösung vor. Fügen Sie dann einen Mikroliter dieser Lösung zu 100 Mikrolitern der unmarkierten linearen Poly(THF)-Schmelze hinzu. Nachdem Sie die Probe gründlich mit einer Pipettenspitze gemischt haben, verdampfen Sie das Chloroform durch Erhitzen mit einem Fön.

Geben Sie mit einer Mikropipette 10 Mikroliter der Probe auf ein gereinigtes Deckglas. Legen Sie ein weiteres gereinigtes Deckglas auf die Probe und drücken Sie die beiden Deckgläser vorsichtig mit einer Kunststoffpinzette zusammen. Befestigen Sie anschließend eine Objektivheizung an der Objektivlinse eines inversen Mikroskops und stellen Sie die Temperatur auf 30 Grad Celsius ein.

Geben Sie einen Tropfen Immersionsöl auf die Linse und montieren Sie die Probe auf den Mikroskoptisch. Stellen Sie sicher, dass eine Probendicke von ca. 10 Mikrometern erreicht wird, indem Sie die axiale Position der Unter- und Oberseite der Probe überprüfen. Stellen Sie dann den Fokus des Mikroskops auf einige Mikrometer über der Unterseite der Probe ein.

Anschließend wird eine Elektronenmultiplikation oder EM-Verstärkung auf eine CCD-Kamera angewendet, um ein qualitativ hochwertiges Fluoreszenzbild des einzelnen Fluorophors zu erhalten. Legen Sie nun mit der Software, die die Kamera steuert, einen Interessenbereich fest. Um die Versuchsbedingungen zu optimieren, stellen Sie den Beleuchtungsbereich der Probe mit Hilfe der in den Anregungsstrahlengang eingesetzten Membran auf einen Durchmesser von etwa 20 Mikrometern ein.

Stellen Sie die Leistung des Anregungslasers an der Probe auf vier bis acht Milliwatt ein, indem Sie manuell einen geeigneten Neutraldichtefilter auswählen, der in den Anregungsstrahlengang eingesetzt wird. Nehmen Sie schließlich 500 bis 1000 Fluoreszenzbildsequenzen des in Fluorophor eingebauten Polymers im Schmelzzustand mit einer Bildrate von 100 bis 200 Hertz auf. Zeitraffer-Einzelmolekül-Fluoreszenzbilder wurden für die vierarmigen und achtförmigen Polymere gemessen und zeigen räumlich isolierte helle und scharfe Flecken, die auf den Einbau des hochfluoreszierenden Perylendiimidfluorophors in die Ketten

Die Häufigkeitshistogramme des Diffusionskoeffizienten, die durch die mittlere quadratische Verschiebungsanalyse bestimmt werden, zeigen breite Verteilungen, die sich sowohl aus dem statistischen Fehler der Analyse als auch aus der Heterogenität der Diffusion ergeben. Die Frequenzhistogramme zeigen deutliche Abweichungen vom homogenen Diffusionsmodell, das eine heterogene Diffusion der Polymermoleküle zeigt. Die einfachen und doppelten Gaußschen Modelle treffen die experimentell erhaltenen kumulativen Verteilungsfunktionen gut und zeigen, dass die Diffusion des gebildeten Polymers durch die breite Verteilung des Diffusionskoeffizienten beschrieben wird, während das achtförmige Polymer zwei unterschiedliche Diffusionsmodi aufweist.

Sobald sie gemeistert sind, kann die Synthese von Polymeren in sechs Stunden durchgeführt werden, und das Einzelmolekül-Immersionsexperiment kann in mehreren Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig durchgeführt werden. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Polymerwissenschaften, um die Polymerdynamik in überfüllten Umgebungen zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie die Diffusionsbewegung topologischer Polymere unter verschränkten Bedingungen auf Einzelkettenebene charakterisiert werden kann.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasern und organischen Lösungsmitteln äußerst gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie Lasersicherheit und Überprüfung des Sicherheitsdatenblatts getroffen werden sollten.