Kemikere finder en modsat effekt:Hvordan fortynding med vand gør en opløsning fast

I Videnskab , TU/e-forskere har offentliggjort deres undersøgelse om nye faseovergange af opløsninger og geler i vand, som ser ud til at gå imod kemiens grundlæggende principper, og som de opdagede ved et uheld.

I kemi ændres en hydrogel til en væske ved at fortynde den med vand. For den omvendte overgang øger du hydrogelkoncentrationen. TU/e-forskere under ledelse af Bert Meijer opdagede dog ved et uheld, at deres flydende opløsning blev til en hydrogel, når den blev fortyndet. Dette fænomen var ikke blevet undersøgt eller beskrevet før og kunne få konsekvenser på mange områder inden for kemi og biologi.

Forskningen fokuserer på dannelsen af ​​visse hydrogeler. Det betyder, at det starter med en vandig opløsning af, i dette tilfælde, to stoffer (et overfladeaktivt stof og en monomer). Forskningen viser, at der dannes en gel i et specifikt forhold mellem disse to stoffer i vand. Denne gel er dannet af lange, supramolekylære netværk sammensat af begge stoffer. Mængderne af disse stoffer i vand (koncentrationerne) bestemmer også, hvor faseovergangen af ​​geldannelsen er placeret. Når koncentrationen mindskes uden at ændre forholdet mellem de to komponenter, opløses gelen og bliver flydende. Indtil videre er dette velkendt område.

Det ekstraordinære er dog, at hvis opløsningen fortyndes yderligere, dannes der igen en gel. Andre supramolekylære strukturer dannes nu, og det bliver en hydrogel igen. Og hvis det så fortyndes endnu mere, bliver det en væske igen. Papiret undersøgte nøje, hvad de korrekte proportioner af de aktive stoffer skulle være, og ved hvilke koncentrationer faseovergangene finder sted. Disse overgange er også fuldt reversible. Hvis koncentrationerne øges, sker overgangene fra væske til gel til væske til gel på de samme punkter. Dette fænomen burde være til stede på andre områder, såsom biologi, men er aldrig blevet undersøgt og dokumenteret før.

Opdaget ved et uheld

Denne såkaldte fortyndingsinducerede selvsamling har været genstand for forskning i Bert Meijers forskergruppe i omkring ti år. Det var imidlertid vanskeligt at opnå disse overgange til at danne et fast stof og få det til at virke i vandige opløsninger. Men Jesús Mosquera og Cyprien Muller opdagede ved et uheld i oktober 2019, at deres flydende blanding af to komponenter blev til en hydrogel, når de blev fortyndet.

"Det er meget værdifuldt at vise, at det, du lærer i dine første kemitimer, ikke altid holder. Ved fortynding bliver ikke alle geler og opløsninger pr. definition væsker," siger Meijer.

Lu Su, hovedforfatter af Science papir, blev straks fascineret af det resultat. "Det var et særligt, tilfældigt fund. Og jeg så med det samme flere muligheder. Hvad nu hvis vi kunne demonstrere en dobbelt overgang? Altså fra en gel til en væske, tilbage til en gel og tilbage til en væske blot ved at tilføje mere vand. "

"Jeg skal være ærlig, da Jesús og Cyprien startede deres forskning, var jeg ikke umiddelbart overbevist om, at vi havde noget særligt på hånden," siger Meijer. "Men som gruppeleder skal man støtte og stole på unge forskere, når de starter noget, de er begejstrede for, og som man endnu ikke selv ser det. Da det var et nyt område for os, sagde min intuition mig, at jeg skulle være positiv." Og det er det sjove ved forskning. Ofte virker det, man designer i forvejen, ikke, men man kan opdage det uforudsete ved et uheld. Derfor har jeg støttet dem fra starten i at opsætte og udvikle deres forskning."

Låsninger

Tidspunktet for fundet er vigtigt at nævne, for ikke længe efter stod hele verden over for lockdowns, og TU/e-laboratorierne lukkede også. Det gav Su en masse tid til at tænke over, hvordan hun kunne tackle dette sammen med sine kolleger, efter Jesús og Cyprien forlod Holland for at gøre karriere i udlandet. "Under Teams-møderne brainstormede vi med gruppen, hvordan vi kunne sætte eksperimenterne op. Sammen fandt vi frem til et godt setup til yderligere eksperimenter."

Så da laboratorierne genåbnede i sommeren 2020, begyndte de straks at udforske deres ideer. "Og det viste sig at være rigtigt!" siger Su. "Inden for en måned havde vi gjort det grundlæggende i vores eksperimenter og demonstreret hydrogel-opløsning-hydrogel-opløsning (gel-sol-gel-sol) overgange."

I efteråret skrev forskerne i fællesskab det første udkast til deres artikel, men arbejdet var endnu ikke færdigt. "Når man finder noget særligt, vil man gerne sikre sig, at ens fortolkninger er korrekte. Derfor opfordrede jeg dem til at investere i at sikre reproducerbarhed og udvide omfanget," siger Meijer. Et nyt sæt eksperimenter blev sat op af Su. Desværre var hun på grund af sin graviditet ikke i stand til selv at udføre dem i det kemiske laboratorium, men kolleger var i stand til at tage over efter hende. Eksperimenter blev gentaget flere gange for at få endnu mere pålidelige resultater.

Ifølge Meijer er det svært at sige, hvor omfattende virkningerne af deres opdagelse bliver, men det er sikkert, at det vil få stor betydning for kemi og biologi. "Sådanne hydrogeler kan være gode løsninger på eksisterende udfordringer, som for eksempel til dyrkning af stamceller. I gelen kan cellerne trygt dele sig i tre dimensioner, og når der er nok, fortynder man opløsningen, og cellerne kan bruges rigtigt. væk. Det er for eksempel forskning, som vi i øjeblikket laver sammen med gruppen af ​​Patricia Dankers. Tricket er selvfølgelig at finde de rigtige stoffer, der udviser denne adfærd, men som ikke reagerer på cellevæggene eller klæber til dem På den måde fører vores forskning til anden forskning." + Udforsk yderligere

Der er fundet beviser for eksistensen af ​​to former for flydende vand