Det hele handler om grænsefladen med flerbrugspolymerbørster

University of Newcastle og UNSW Sydney bruger avancerede neutronspredningsteknikker ved ANSTO til at udføre forskning i strukturen af ​​polymerer i komplekse saltmiljøer, som i sidste ende vil give en måde at forudsige deres adfærd til anvendelser i den virkelige verden.

Emnet for forskningen er polymerbørster, tætpakkede arrays af polymerkæder, der er bundet til flade overflader til brug i miljøvenlige rengøringsprodukter, miljøsanering, forarbejdning af mineraler, bioteknologi, sensorer, medicin levering, og membraner.

Opførselen af ​​mange af disse applikationer bestemmes i høj grad af grænsefladen mellem polymeren og overfladesubstratet og børstens nanostruktur.

Et integreret flerårigt forskningsprogram, ledet af prof Grant Webber og prof Erica Wanless ved University of Newcastle, A/Prof Stuart Prescott ved UNSW, og Dr. Andrew Nelson fra ANSTO, undersøger og fuldt ud karakteriserer den indviklede adfærd og egenskaber af polymerbørster i komplekse miljøer; blandede elektrolytter og ikke-vandige opløsninger.

De er især interesserede i stimuli-responsive polymerer. For eksempel, polymerkæderne er meget 'hårede' ved lave temperaturer, men ved høje temperaturer, børsterne falder sammen på overfladen, med forskellige salte, der ændrer kollapstemperaturen.

Tidligere og nuværende undersøgelser har været afhængige af neutronreflektometri, på grund af dens unikke evne til at karakterisere grænsefladen i nanoskala.

"Eksperimenter med neutronreflektometret Platypus og Spatz gav in situ information om strukturelle ændringer af polymermolekylerne i realtid, " sagde instrumentforsker Dr. Andrew Nelson.

"Udviklingen af ​​dedikerede prøvemiljøer til polymerbørsterne af A/Prof Prescott og dataanalysesoftware af hans nylige Ph.D.-kandidat Isaac Gresham, betyder, at vi er rigtig godt indstillet til disse eksperimenter, " sagde Nelson.

Nelson sagde, at "ANSTOs neutronreflektometre er velegnede til at studere hurtige kinetiske reaktioner, og ANSTO har verdensførende software til at indhente og analysere dataene."

Det integrerede forskerhold har publiceret elleve tidsskriftsartikler, herunder en nylig undersøgelse af polymerrespons på indeslutning som reaktion på temperatur fra Isaac Gresham et al. i Macromolecules og en relateret undersøgelse af polymerresponser i nærvær af blandede elektrolytter af Hayden Robertson et al. i Journal of Colloid and Interface Science.

Robertson, en ph.d. kandidat ved University of Newcastle, blev for nylig tildelt Ezio Rizzardo Polymer Scholarship af Australian Academy of Technology and Engineering (ATSE) for sin forskning i at forbedre forståelsen af ​​stimulus-responsive polymerer for at lave smarte grænseflader med justerbare egenskaber.

"Det, der er vigtigt ved deres adfærd er, om de tanglignende molekyler, der er knyttet til en overflade, kollapser eller udvider sig i nærvær af forskellige salte eller opløsningsmidler, " sagde Robertson.

"Opførslen af ​​disse polymerbørster i vand er ret godt forstået, men det, vi er interesserede i, er interaktionerne mellem polymererne i nærvær af forskellige ioner, en blanding af ioner eller i forskellige opløsningsmidler, såsom propylencarbonat, " han tilføjede.

"I naturen og industrielle omgivelser, du vil aldrig kun have vand, det vil være en kombination af masser af forskellige ioner og opløsningsmidler. Vi forsøger at forstå de utallige interaktioner, der opstår i komplekse miljøer."

Selvom en forståelse af specifikke ioneffekter går tilbage til arbejdet af Franz Hofmeister i slutningen af ​​det 19. århundrede, hvem fandt ud af, at der var en bestemt rækkefølge til en ions evne til at udfælde æggehvideproteiner i opløsning, kendt som Hofmeister-serien, det forklarede ikke adfærd på forskellige måder, mere komplekse systemer.

"Vi har ikke en universel teori til at forudsige, hvordan disse polymerer vil reagere på forskellige kemiske miljøer. En sådan forudsigende teori er påkrævet for at komme videre til anvendelser."

Robertson og medarbejdere vil undersøge nærmere med flere eksperimenter på Platypus og Spatz og andre teknikker, såsom ellipsometri. De eksperimentelle data indsamlet på Platypus bliver brugt til at informere beregningsmodeller, sigter på at etablere en forudsigelig model for polymerbørsternes adfærd i komplekse miljøer.

"Vores mål er bedre at forstå, hvordan man konstruerer overflader og de molekylære interaktioner, der opstår ved dem, " sagde Prescott.

Teamet arbejder sammen med industripartnere for at bruge denne viden i udviklingen af ​​miljøvenlige rengøringsmidler til husholdnings-/personplejeprodukter, og mere vandeffektive mineralforarbejdningsadditiver til den australske mineindustri.