Neutroner tillader analyse af polymergeler usædvanlige egenskaber

Produkter som kosmetik, klæbemidler, og maling er afhængig af en fælles nøglekomponent:geler. Polymer geler, en geltype med unikke egenskaber, har vakt forskernes interesse på grund af deres potentielle anvendelser i medicinske applikationer.

Undersøgelser har vist, at ændring af polymergelers strukturer i væsentlig grad kan påvirke deres egenskaber, men det er uklart hvorfor. For at lære hvordan og hvorfor det sker, et team af forskere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) og Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) bruger neutronspredning til at se et dybere kig.

Polymergeler består af polymerkæder med kryds, der forbinder dem. Når termodynamiske forhold ændrer sig, størrelserne på krydsene ændres i forhold til de kæder, der forbinder dem. Ændringerne kan få gelerne til at blive stærkere og udvikle bedre responsegenskaber. For at undersøge disse forhold, forskerne bruger EQ-SANS-instrumentet på ORNL's Spallation Neutron Source-et DOE Office of Science User Facility.

"Vi forsøger at forstå rollen som krydset størrelse og hvordan krydset interaktioner bidrager til gelens mekaniske egenskaber, "sagde Christopher Lam, en postdoktoral forskningsassistent på ORNL.

Polymergeler er nyttige til levering af lægemidler, fordi deres strukturer tilpasser sig ændringer i deres miljø. For eksempel, en polymergel med temperaturresponsegenskaber kunne flyde let ved stuetemperatur, men derefter stivne i et varmere miljø som menneskekroppen. Disse typer geler kan hjælpe med at sikre, at når et lægemiddel injiceres i kroppen, det forbliver i det område, det er beregnet til at påvirke.

Tilsvarende polymergeler med trykresponsegenskaber kan designes til let at flyde under lavt tryk i en sprøjte, men derefter stivne, når gelen skubbes ud og trykket stiger.

Neutroner er gode sonder for materialer som polymergeler, hovedsagelig på grund af deres følsomhed over for brint og dets isotop, deuterium. Ved hjælp af en unik teknik kendt som kontrastmatchning, forskere erstattede nogle af hydrogenatomerne i gelen med deuterium, som tillod specifikke strukturelle komponenter at blive fremhævet af neutronerne.

Ved hjælp af EQ-SANS-instrumentets nye rheo-SANS-miljø blev forskerne i stand til at udsætte gelerne for forskydningsspænding-hvilket er stress parallelt med materialets tværsnit, som to plader, der glider forbi hinanden - og observer de tilsvarende ændringer i strukturen.

Ved at sammenligne hvordan strukturer af geler med store kryds og dem med små kryds forskydes og deformeres, forskerne kan begynde at forstå, hvordan størrelsen på gel -junctions kan påvirke gelegenskaberne. Ved hjælp af deres fund, forskerne kan finde måder at udvikle forbedrede polymergeler på.

"Hvis vi har en forståelse af gelernes struktur, der grundlæggende giver os en bedre ramme, "sagde Lam." Så kan vi sige 'vi har brug for denne ejendom, dette kemiske design, og dette forhold mellem komponenter og koncentration. '

"Jeg forsøger altid at finde en balance mellem, hvor meget vi gør fundamentalt, og hvordan vi kan tænke på at anvende det på noget, vi vil bruge. Jeg forsøger at bruge denne grundlæggende forståelse til virkelig at designe bedre biomedicinske geler."

Andre forskere på dette eksperiment omfatter hovedforskere Bradley D. Olsen fra Institut for Kemiteknik på MIT, ORNL's Wei-Ren Chen, og Michelle Calabrese, en postdoktor ved MIT. Forskningen er støttet af DOE's Office of Science.