Als de haren van een borstel abrupt ineenzakten tot proppen noedels, de borstel zou natuurlijk, nutteloos worden. Als het een borstel op micronschaal is die een "polyelektrolytborstel" wordt genoemd, " die ineenstorting kan een veelbelovend experimenteel medicijn of smeermiddel buiten gebruik stellen.

Maar nu onthult een nieuwe studie, tot in detail, dingen die deze speciale borstelharen doen instorten - en ook herstellen. Het onderzoek vergroot het begrip van deze chemische borstels die veel potentiële toepassingen hebben.

Wat zijn polyelektrolytborstels?

Polyelektrolytborstels lijken een beetje op zachte struiken, zoals schoenpoetsborstels, maar ze zijn op de schaal van grote moleculen en de "borstelharen" zijn gemaakt van polymeerketens. Polyelektrolytborstels hebben een achterkant, of ondergrond, en de polymeerketens die als zachte haren aan de achterkant zijn vastgemaakt, hebben chemische eigenschappen die de borstel potentieel interessant maken voor veel praktisch gebruik.

Maar polymeren zijn vezelig en hebben de neiging om in de knoop te raken of te klonteren, en ze recht te houden, als zachte haren, is essentieel voor de functie van deze micronborstels. Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, de Universiteit van Chicago, en het Argonne National Laboratory bedacht experimenten die ervoor zorgden dat borstelharen van polyelektrolyten instortten en vervolgens herstelden van de ineenstorting.

Ze brachten de processen in detail in beeld met zeer gevoelige atoomkrachtmicroscopie, en ze construeerden simulaties die nauw overeenkwamen met hun waarnemingen. Hoofdonderzoeker Blair Brettmann van Georgia Tech en de eerste auteurs van het onderzoek Jing Yu en Nicholas Jackson van de Universiteit van Chicago publiceerden hun resultaten op 8 december, 2017, in het journaal wetenschappelijke vooruitgang .

Hun onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, de Nationale Wetenschapsstichting, en het Argonne National Laboratory.

Van nep-DNA tot smeermiddelen

De potentiële toekomstige beloning voor het werk van de onderzoekers omvat industriële materialen tot medicijnen.

Bijvoorbeeld, polyelektrolytborstels zorgen voor oppervlakken die hun eigen ingebouwde smering hebben. "Als je de borstels op tegenover elkaar liggende oppervlakken bevestigt, en de borstelharen wrijven tegen elkaar, dan hebben ze een zeer lage wrijving en uitstekende smeereigenschappen, " zei Blair Brettmann, die de studie leidde en onlangs bij Georgia Tech kwam van de Universiteit van Chicago.

Polyelektrolytborstels zouden ooit ook medische toepassingen kunnen vinden. Van hun borstelharen is aangetoond dat ze DNA simuleren en coderen voor eenvoudige eiwitten. Andere borstels kunnen worden ontworpen om bacteriën van oppervlakken af ​​te weren. Sommige polyelektrolytborstels bestaan ​​al in het lichaam op het oppervlak van sommige cellen.

Polyelektrolytborstels kunnen zoveel verschillende dingen doen omdat ze in zoveel variaties kunnen worden ontworpen.

"Als je de penselen bouwt, je hebt veel controle, " zei Brettmann, die een assistent-professor is aan de Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Je kunt op nanoschaal bepalen hoe ver de polymeerketens (de borstelharen) uit elkaar liggen op het substraat en hoe lang ze zijn."

Ze zijn ingewikkeld en gevoelig

Voor al hun grote potentieel, polyelektrolytborstels zijn ook complex en gevoelig, en er is veel onderzoek nodig om te begrijpen hoe ze te optimaliseren.

De polymeerketens hebben positieve en negatieve ionische, of elektrolytisch, ladingen afwisselend langs hun lengte, vandaar de naam "polyelektrolyt". Chemici kunnen de polymeren aan elkaar rijgen met verschillende chemische bouwstenen, of monomeren, en ontwerp genuanceerde ladingspatronen op en neer in de keten.

Er is meer complexiteit:achterkant en borstelharen zijn niet het enige waaruit polyelektrolytborstels bestaan. Ze baden in oplossingen die zachte elektrolyten bevatten, die een uitgebalanceerde ionische aantrekkingskracht van alle kanten creëren die de borstelharen omhoog houdt in plaats van ze te laten instorten of verstrikt raken.

"Vaak bevatten deze mengsels een heleboel andere dingen, dus de complexiteit hiervan maakt het echt moeilijk om fundamenteel te begrijpen, "Brettmann zei, "en dus moeilijk om gedrag in echte toepassingen te kunnen voorspellen."

Binnendringende onzuiverheden

Wanneer andere chemicaliën in deze uitgebalanceerde systemen komen die polyelektrolytborstels vormen, ze kunnen de borstelharen doen instorten. Bijvoorbeeld, de toevoeging van zeer krachtige elektrolyten kan werken als een zwerm sloopkogels.

In hun experiment hebben Brettmann en haar collega's gebruikten een krachtige ionische verbinding gebouwd rond yttrium, een zeldzaam aardmetaal met een sterke lading. (Het ion was driewaardig, of had een valentie van 3.) De ionische krachten van slechts een lage dosis van de yttriumelektrolyt deden de polymeerharen opkrullen als klompen plakkerige spaghetti.

Toen verhoogden de onderzoekers de concentratie van de zachtere ionen, die de steun herstelde, de borstelharen weer omhoog duwen. Beeldvorming met atoomkrachtmicroscoop onthulde zeer regelmatige patronen van ineenstorting en herextensie.

Deze patronen kwamen goed tot uiting in de simulaties; de betrouwbaarheid van de effecten van de ionen op ineenstorting en herstel des te meer. Het vermogen om zo'n nauwkeurige simulatie te bouwen weerspiegelt de sterke consistentie van de chemie, wat goed nieuws is voor mogelijk toekomstig onderzoek en praktische toepassingen.

Nutteloos wordt nuttig

Voor alle disfunctie die het instorten van de borstelharen kan veroorzaken, de mogelijkheid om ze met opzet in te klappen kan handig zijn. "Als je de borstelharen systematisch zou kunnen inklappen en reactiveren, je zou de mate van smering kunnen aanpassen, bijvoorbeeld, of de smering in- en uitschakelen, ' zei Brettmann.

De borstels kunnen ook chemische reacties met micro- en nanodeeltjes reguleren door de borstelharen uit te breiden en in te klappen.

"Coatings en films worden vaak gemaakt door zorgvuldig geconstrueerde deeltjes te combineren, en je kunt deze borstels gebruiken om deze deeltjes zwevend en gescheiden te houden totdat je klaar bent om ze elkaar te laten ontmoeten, band, en het product vormen, ' zei Brettmann.

Wanneer de borstelharen van de polyelektrolytborstel zijn uitgeschoven, ze fungeren als een barrière om de deeltjes uit elkaar te houden. Klap de borstelharen expres uit de weg, en de deeltjes kunnen samenkomen.

Het is een nare wereld

De experimenten zijn uitgevoerd met zeer schone, robuust, en uniforme verbindingen in tegenstelling tot de wirwar van chemicaliën die in natuurlijke of zelfs industriële systemen kunnen voorkomen.

"De borstelharen die we gebruikten waren polystyreensulfonaat, wat een zeer sterke polyelektrolyt is, niet gevoelig voor pH of veel anders, "Brettmann zei. "Biopolymeren zoals polysachariden, bijvoorbeeld, zijn veel gevoeliger."

Zoals veel experimenten, deze was een afwijking van de omstandigheden in de echte wereld. Maar door een basis te creëren om te begrijpen hoe deze systemen werken, Brettmann wil uiteindelijk kunnen overgaan tot gevoelige scenario's om meer van het praktische potentieel van polyelektrolytborstels te realiseren.