Russische wetenschappers hebben een theorie van fasetransformatie in polymeergels voorgesteld. Het verklaart de mechanismen van de dramatische vermindering van het volume van zwitterionische hydrogels wanneer ze worden gekoeld. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Chemische communicatie ( ChemComm ).

Polymeergels hebben ongebruikelijke eigenschappen, inclusief het vermogen om water te absorberen in volumes die honderden keren groter zijn dan die van henzelf. Bijvoorbeeld, sommige hydrogels kunnen tot twee kilogram water per gram droge gel bevatten. Door de temperatuur te veranderen of oplosmiddelen toe te voegen, verschillende gewenste eigenschappen kunnen worden bereikt. Dit is de reden waarom polymeergels worden gebruikt in de industrie en de biogeneeskunde, onder meer voor het gericht toedienen van medicatie, creatie van kunstmatige huid, kinderspeelgoed, enzovoort.

Als u een gel inneemt die een groot volume oplosmiddel bevat en de temperatuur geleidelijk verlaagt, wanneer een bepaalde temperatuurdrempel wordt bereikt, er zal een sterke afname van het volume van de gel zijn en er zal een grote hoeveelheid vloeistof uit worden geperst - de gel zal instorten (samentrekken).

De theorie van gelcollaps werd voor het eerst voorgesteld door de Amerikaanse natuurkundigen en scheikundigen Paul Flory en John Rehner, Jr. in 1943 en vervolgens ontwikkeld door de Japanse wetenschapper Tsuyoshi Tanaka. Een tekortkoming van de klassieke theorie is dat deze geen rekening houdt met de eigenaardigheden van de moleculaire structuur van polymeerverbindingen.

De nieuwe theorie werd voorgesteld door een team van Russische wetenschappers, bestaande uit Yury Budkov, Professor aan MIEM HSE (HSE Tikhonov Moskou Instituut voor Elektronica en Wiskunde), Nikolai Kalikin, een doctoraat student aan het Krestov Institute of Solution Chemistry van de Russische Academie van Wetenschappen, en Andrej Kolesnikov, een research fellow aan het Institute of Non-Classical Chemistry in Leipzig. De onderzoekers ontwikkelden een microscopische theorie van polymeergel, waarvan elke schakel een elektrische dipool draagt ​​- twee elektrische ladingen van gelijke grootte, maar tegenovergesteld in teken.

Deze moleculaire structuur wordt het meest aangetroffen in zwitterionische polymeren, waarvan de eenheden zowel positief als negatief geladen ionengroepen dragen.

De auteurs hebben aangetoond dat bij voldoende lage temperaturen de elektrostatische interactie van polymeereenheden leidt tot gelcollaps. Ze noemden ook de belangrijkste parameters die de overgangstemperatuur van geëxpandeerde naar samengetrokken toestand beïnvloeden:de dipoolmomentwaarde (het product van de lading per dipoollengte) en de verhouding van de bindingslengte tussen aangrenzende schakels van de polymeerketen tot de dipoollengte.

Het laatste resultaat is een aanzienlijke vooruitgang in de geltheorie in vergelijking met de klassieke Flory-Rehner-Tanaka-theorie, die geen rekening houdt met de specifieke moleculaire structuur van polymeerverbindingen.

"In praktijk, we kunnen de moleculaire eigenschappen van polymeerverbindingen niet controleren, maar dankzij onze theorie zullen chemici in staat zijn om vooraf polymeren met geschikte eigenschappen te maken en de instortingstemperatuur te beheersen, " zegt Joeri Budkov, hoogleraar bij MIEM HSE.

De wetenschappers merken op dat de gemaakte theoretische evaluaties nuttig zullen zijn in moderne toepassingen van zwitterionische gels, zoals superabsorberende stoffen, moleculaire nanoreactoren, antibacteriële coatings, elektrisch geleidende membranen voor chemische stroombronnen, kunstmatige huid, kunstmatige spieren en anderen.

Elk jaar, de ChemComm redactieraad selecteert jonge onderzoekers van over de hele wereld die werkzaam zijn in verschillende gebieden van de chemie en nodigt hen uit om te publiceren in een speciaal nummer van Emerging Investigators. Dit jaar, Yury Budkov was een van de uitgenodigde jonge wetenschappers op het gebied van theoretische en fysische chemie.