Forskere udvikler mikroskopisk teori om polymergel

Russiske videnskabsmænd har foreslået en teori om fasetransformation i polymergeler. Det forklarer mekanismerne bag den dramatiske reduktion i volumen af ​​zwitterioniske hydrogeler, når de afkøles. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Kemisk kommunikation ( ChemComm ).

Polymergeler har usædvanlige egenskaber, herunder evnen til at absorbere vand i mængder, der er hundredvis af gange større end deres egne. For eksempel, nogle hydrogeler er i stand til at holde op til to kilo vand pr. gram tør gel. Ved at ændre temperaturen eller tilsætte opløsningsmidler, forskellige ønskede egenskaber kan opnås. Dette er grunden til, at polymergeler bruges i industri og biomedicin, herunder til målrettet levering af medicin, skabelse af kunstig hud, børns legetøj, etc.

Hvis du tager en gel, der indeholder en stor mængde opløsningsmiddel og gradvist sænker dens temperatur, når en vis temperaturtærskel er nået, der vil være et kraftigt fald i gelens volumen, og en stor mængde væske vil blive presset ud af den - gelen vil kollapse (sammentrækning).

Teorien om gelkollaps blev først foreslået af de amerikanske fysikere og kemikere Paul Flory og John Rehner, Jr. i 1943 og efterfølgende udviklet af den japanske videnskabsmand Tsuyoshi Tanaka. En mangel ved klassisk teori er, at den ikke tager højde for ejendommelighederne ved polymerforbindelsernes molekylære struktur.

Den nye teori blev foreslået af et hold russiske videnskabsmænd bestående af Yury Budkov, Professor ved MIEM HSE (HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics), Nikolaj Kalikin, en ph.d. studerende ved Krestov Institute of Solution Chemistry ved det russiske videnskabsakademi, og Andrei Kolesnikov, en forsker ved Instituttet for ikke-klassisk kemi i Leipzig. Forskerne udviklede en mikroskopisk teori om polymergel, hvor hvert led bærer en elektrisk dipol - to elektriske ladninger af samme størrelse, men modsat i fortegn.

Denne molekylære struktur findes oftest i zwitterioniske polymerer, hvis enheder bærer både positivt og negativt ladede iongrupper.

Forfatterne har vist, at ved tilstrækkeligt lave temperaturer er det den elektrostatiske interaktion mellem polymerenheder, der fører til gelkollaps. De navngav også de vigtigste parametre, der påvirker overgangstemperaturen fra udvidet til sammentrukket tilstand:dipolmomentværdien (produktet af ladningen pr. dipollængde) og forholdet mellem bindingslængden mellem tilstødende led i polymerkæden og dipollængden.

Sidstnævnte resultat er et betydeligt fremskridt inden for gelteori sammenlignet med den klassiske Flory-Rehner-Tanaka-teori, som ikke tager højde for den specifikke molekylære struktur af polymerforbindelser.

"I praksis, vi kan ikke kontrollere polymerforbindelsernes molekylære egenskaber, men takket være vores teori vil kemikere være i stand til at skabe polymerer med passende egenskaber på forhånd og kontrollere kollapstemperaturen, " kommenterer Yury Budkov, professor ved MIEM HSE.

Forskerne bemærker, at de teoretiske evalueringer vil være nyttige i moderne anvendelser af zwitterioniske geler, såsom superabsorbenter, molekylære nanoreaktorer, antibakterielle belægninger, elektrisk ledende membraner til kemiske strømkilder, kunstig hud, kunstige muskler og andre.

Hvert år, det ChemComm Redaktionen kortlister unge forskere fra hele verden, der arbejder inden for forskellige områder af kemi, og inviterer dem til at publicere i et særligt Emerging Investigators-nummer. Dette år, Yury Budkov var blandt de inviterede unge videnskabsmænd inden for teoretisk og fysisk kemi.