Opdager og krymper børsterne af polyelektrolytbørster

Hvis børstens børster brat faldt sammen i nudler, børsten ville, selvfølgelig, blive ubrugelig. Når det er en børste i mikronskala kaldet en "polyelektrolytbørste, "Det sammenbrud kan sætte et lovende eksperimentelt lægemiddel eller smøremiddel ud af drift.

Men nu afslører en ny undersøgelse, i detaljer, ting, der får disse særlige børster til at kollapse - og også genopretter. Forskningen øger forståelsen for disse kemiske børster, der har mange potentielle anvendelser.

Hvad er polyelektrolytbørster?

Polyelektrolytbørster ligner lidt bløde buske, såsom skobørster, men de er på skalaen af ​​store molekyler, og "børsterne" er lavet af polymerkæder. Polyelektrolytbørster har en bagside, eller substrat, og polymerkæderne, der er fastgjort til bagsiden som bløde børster, har kemiske egenskaber, der gør børsten potentielt interessant til mange praktiske anvendelser.

Men polymerer er snorlige og har en tendens til at blive sammenfiltrede eller klumpede, og holde dem rettet op, som bløde børster er afgørende for funktionen af ​​disse mikronbørster. Forskere ved Georgia Institute of Technology, University of Chicago, og Argonne National Laboratory udtænkte forsøg, der fik polyelektrolytbørstehår til at falde sammen og derefter komme sig efter sammenbruddet.

De afbildede processerne i detaljer med meget følsom atomkraftmikroskopi, og de konstruerede simuleringer, der passede tæt til deres observationer. Hovedforsker Blair Brettmann fra Georgia Tech og undersøgelsens første forfattere Jing Yu og Nicholas Jackson fra University of Chicago offentliggjorde deres resultater den 8. december, 2017, i journalen Videnskab fremskridt .

Deres forskning blev støttet af det amerikanske energiministerium, National Science Foundation, og Argonne National Laboratory.

Fra faux DNA til smøremidler

Den potentielle fremtidige gevinst for forskernes arbejde spænder over industrielle materialer til medicin.

For eksempel, polyelektrolytbørster gør til overflader, der har deres egen indbyggede smøring. "Hvis du fastgør børsterne til modstående overflader, og børsterne børster mod hinanden, så har de virkelig lav friktion og fremragende smøreegenskaber, "sagde Blair Brettmann, der ledede undersøgelsen og for nylig sluttede sig til Georgia Tech fra University of Chicago.

Polyelektrolytbørster kan også en dag finde medicinske anvendelser. Deres børster har vist sig at simulere DNA og kode enkle proteiner. Andre børster kan konstrueres til at afvise bakterier fra overflader. Nogle polyelektrolytbørster findes allerede i kroppen på overfladen af ​​nogle celler.

Polyelektrolytbørster kan så mange forskellige ting, fordi de kan konstrueres i så mange variationer.

"Når du bygger børsterne, du har meget kontrol, sagde Brettmann, som er adjunkt i Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Du kan kontrollere på nanoskalaen, hvor langt fra hinanden polymerkæderne (børsterne) er placeret på underlaget, og hvor lange de er."

De er indviklede og følsomme

For alle deres store potentiale, polyelektrolytbørster er også komplekse og følsomme, og meget forskning er nødvendig for at forstå, hvordan man optimerer dem.

Polymerkæderne har positive og negative ioniske, eller elektrolytisk, ladninger skiftevis langs deres længder, således navnet "polyelektrolyt". Kemikere kan sno polymererne sammen ved hjælp af forskellige kemiske byggesten, eller monomerer, og designe nuancerede ladningsmønstre op og ned af kæden.

Der er mere kompleksitet:Bagside og børster er ikke alt, der udgør polyelektrolytbørster. De bades i opløsninger, der indeholder blide elektrolytter, som skaber et afbalanceret ionisk træk fra alle sider, der støtter børsterne op i stedet for at lade dem falde sammen eller vikle sammen.

"Ofte har disse blandinger en masse andre ting i sig, så kompleksiteten af ​​dette gør det virkelig svært at forstå fundamentalt, "Sagde Brettmann, "og dermed svært at kunne forudsige adfærd i rigtige applikationer."

Invaderende urenheder

Når andre kemikalier kommer ind i disse velafbalancerede systemer, der udgør polyelektrolytbørster, de kan få børsterne til at falde sammen. For eksempel, tilføjelsen af ​​meget kraftfulde elektrolytter kan fungere som en flok ødelæggende bolde.

I deres eksperiment, Brettmann og hendes kolleger brugte en kraftfuld ionisk forbindelse bygget omkring yttrium, et sjældent jordmetal med en stærk ladning. (Ionen var treværdig, eller havde en valens på 3.) De ioniske kræfter fra bare en lav dosis af yttriumelektrolytten fik polymerbørsterne til at krølle op som klumper af klistret spaghetti.

Derefter øgede forskerne koncentrationen af ​​de blidere ioner, som genoprettede support, støtter børstehårene op igen. Atomic force microscope imaging afslørede meget regelmæssige mønstre af sammenbrud og re-forlængelse.

Disse mønstre afspejlede sig godt i simuleringerne; pålideligheden af ​​ionernes virkninger på sammenbrud og genopretning endnu mere. Evnen til at opbygge en så præcis simulering afspejler kemiens stærke konsistens, hvilket er gode nyheder for potentiel fremtidig forskning og praktiske anvendelser.

Nytteløst bliver nyttigt

For al den dysfunktion, som børstehår kollapser, kan forårsage, evnen til at skjule dem med vilje kan være nyttig. "Hvis du kunne falde sammen og genaktivere børstehårene systematisk, du kunne justere smøregraden, for eksempel, eller slå smøring til og fra, "Sagde Brettmann.

Børsterne kan også regulere kemiske reaktioner, der involverer mikro- og nanopartikler ved at forlænge og kollapse børsterne.

"Belægninger og film fremstilles ofte ved omhyggeligt at kombinere konstruerede partikler, og du kan bruge disse børster til at holde disse partikler suspenderet og adskilt, indtil du er klar til at lade dem mødes, bånd, og danne produktet, "Sagde Brettmann.

Når polyelektrolytbørstens børster er forlænget, de fungerer som en barriere for at holde partiklerne adskilt. Skjul børsterne med vilje, og partiklerne kan komme sammen.

Det er en grim verden

Forsøgene blev udført med meget rene, robust, og ensartede forbindelser i modsætning til det virvar af kemikalier, der kan eksistere i naturlige eller endda industrielle systemer.

"De børster, vi brugte, var polystyrensulfonat, som er en meget stærk polyelektrolyt, ikke følsom over for pH eller meget andet, "Sagde Brettmann." Biopolymerer som polysaccharider, for eksempel, er meget mere følsomme. "

Ligesom mange eksperimenter, denne var en afvigelse fra virkelige forhold. Men ved at skabe et fundament for at forstå, hvordan disse systemer fungerer, Brettmann ønsker i sidste ende at kunne gå videre til følsomme scenarier for at realisere mere af polyelektrolytbørsters praktiske potentiale.