De structuur van verknoopte polymere gels lijkt sterk op zacht weefsel, wat een reden is dat het begrijpen van dit materiaal zo cruciaal is, volgens Kelly Schultz, assistent-professor bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de Lehigh University.

Schultz maakte vorige maand deel uit van een speciale sessie van de jaarlijkse bijeenkomst van het American Institute of Chemical Engineering (AIChE) in Pittsburgh, waar ze werd uitgenodigd om het werk van haar laboratorium te presenteren om te bepalen hoe het verhogen van de concentraties van polymeren in oplossing de structuur van verknoopte gels verandert. De titel van de sessie was "AIChE Journal Futures:New Directions in Chemical Engineering Research."

Schultz' lezing was gebaseerd op een paper die ze op uitnodiging bijdroeg aan AIChE's inaugurele 'Futures Issues', bedoeld om het werk van vroege onderzoekers onder de aandacht te brengen. De krant, co-auteur van haar voormalige Ph.D. student, Matthew Wehrman, en vier Lehigh-studenten, wordt "Rheologische eigenschappen en structuur van stap- en ketengroeigels genoemd, geconcentreerd boven de overlapconcentratie."

"Door de concentratie van polymeren te verhogen, kunnen ze interageren, ", zegt Schultz. "Deze interacties kunnen de structuur van het materiaal veranderen en zelfs mogelijk verzwakken."

Door experimenten, zij en haar team ontdekten dat de structuur van verknoopte polymere gels onafhankelijk is van de concentratie, totdat een limiet is bereikt - de overlapconcentratie genoemd - en dat is wanneer de polymeren beginnen te interageren. Na deze limiet, de structuur is weer onafhankelijk van concentratie.

De centrale ontdekking van de groep is dat meer polymeren niet noodzakelijkerwijs betekenen dat de gel elastischer of stijver zal zijn.

"Dit was onverwacht, " zegt Schultz. "We dachten dat er een geleidelijke verandering in de steigerstructuur zou zijn, maar in plaats daarvan is er een stapsgewijze verandering wanneer deze interacties hoog genoeg worden."

Het identificeren van dit kenmerk kan van bijzonder belang zijn voor industriële toepassingen, aangezien het werk van het team aantoont dat deze verknoopte polymere gelstructuren kunnen worden bereikt met een kleinere hoeveelheid polymeer.

"Met andere woorden, " zegt Schultz, "Je kunt het gewenste resultaat krijgen met de minste hoeveelheid materiaal."

Schultz' werk hieraan is nieuw vanwege de manier waarop haar team naar steigers keek bij hoge polymeerconcentraties - of met polymere interacties. De meeste onderzoeken, ze zegt, blijf onder de overlapconcentratie zodat polymeerinteracties gelering niet compliceren.

"Met dit werk chemische ingenieurs kunnen beginnen te begrijpen hoe polymere interacties de gelstructuur veranderen en hoe deze structuren toegankelijk zijn bij relatief lage polymeerconcentraties, ", zegt Schultz.

Het team gebruikte een techniek genaamd multiple particle tracking microrheology (MPT) om de gelering van deze polymere hydrogel-steigers te meten. Deze techniek maakt gebruik van videomicroscopie om de thermische beweging van ingebedde sondedeeltjes vast te leggen. Uit de thermische beweging kunnen ze materiaaleigenschappen bepalen. Met behulp van MPT in combinatie met een analysetechniek, time-cure superpositie, ze waren in staat om de geleringstijd en structuur van het materiaal op het gelpunt te bepalen, dat is wanneer de eerste steekproefomspannende netwerkcluster zich vormt.