De Universiteit van Newcastle en UNSW Sydney gebruiken geavanceerde neutronenverstrooiingstechnieken bij ANSTO om onderzoek te doen naar de structuur van polymeren in complexe zoutomgevingen die uiteindelijk een manier zullen bieden om hun gedrag te voorspellen voor toepassingen in de echte wereld.

Het onderwerp van het onderzoek is polymeerborstels, dicht opeengepakte reeksen polymeerketens die zijn vastgemaakt aan vlakke oppervlakken voor gebruik in milieuvriendelijke schoonmaakproducten, milieusanering, mineralen verwerking, biotechnologie, sensoren, medicijnafgifte, en membranen.

Het gedrag van veel van deze toepassingen wordt grotendeels bepaald door het grensvlak tussen het polymeer en het oppervlaktesubstraat en de nanostructuur van de borstel.

Een geïntegreerd meerjarig onderzoeksprogramma, onder leiding van Prof Grant Webber en Prof Erica Wanless aan de Universiteit van Newcastle, A/Prof Stuart Prescott bij UNSW, en Dr. Andrew Nelson van ANSTO, onderzoekt en karakteriseert het ingewikkelde gedrag en de eigenschappen van polymeerborstels in complexe omgevingen; gemengde elektrolyten en niet-waterige oplossingen.

Ze zijn vooral geïnteresseerd in op stimuli reagerende polymeren. Bijvoorbeeld, de polymeerketens zijn erg 'harig' bij lage temperaturen maar bij hoge temperatuur, de borstels vallen op het oppervlak, met verschillende zouten die de instortingstemperatuur veranderen.

Eerdere en huidige onderzoeken waren gebaseerd op neutronenreflectometrie, vanwege zijn unieke vermogen om de interface op nanoschaal te karakteriseren.

"Experimenten met behulp van de neutronenreflectometer Platypus en Spatz gaven in situ informatie over structurele veranderingen aan de polymeermoleculen in realtime, " zei instrumentwetenschapper Dr. Andrew Nelson.

"De ontwikkeling van speciale monsteromgevingen voor de polymeerborstels door A/Prof Prescott en data-analysesoftware door zijn recente doctoraat Isaac Gresham, betekent dat we goed voorbereid zijn op deze experimenten, ' zei Nelson.

Nelson zei dat "ANSTO's neutronenreflectometers zeer geschikt zijn om snelle kinetische reacties te bestuderen, en ANSTO heeft toonaangevende software voor het verzamelen en analyseren van de gegevens."

Het geïntegreerde onderzoeksteam heeft elf tijdschriftartikelen gepubliceerd, waaronder een recent onderzoek naar polymeerreacties op opsluiting als reactie op temperatuur van Isaac Gresham et al. in Macromolecules en een gerelateerd onderzoek naar polymeerresponsen in aanwezigheid van gemengde elektrolyten door Hayden Robertson et al. in het Journal of Colloid and Interface Science.

Robertson, een doctoraat kandidaat aan de Universiteit van Newcastle, ontving onlangs de Ezio Rizzardo Polymer Scholarship van de Australian Academy of Technology and Engineering (ATSE) voor zijn onderzoek naar het verbeteren van het begrip van stimulus-responsieve polymeren om slimme interfaces te maken met afstembare eigenschappen.

"Wat belangrijk is aan hun gedrag, is of de zeewierachtige moleculen die aan een oppervlak zijn bevestigd, instorten of uitzetten in de aanwezigheid van verschillende zouten of oplosmiddelen, ' zei Robertson.

"Het gedrag van deze polymeerborstels in water is vrij goed begrepen, maar waar we in geïnteresseerd zijn, zijn de interacties tussen de polymeren in de aanwezigheid van verschillende ionen, een mengsel van ionen of in verschillende oplosmiddelen, zoals propyleencarbonaat, " hij voegde toe.

"In de natuur en in industriële omgevingen, je zult nooit alleen water hebben, het zal een combinatie zijn van veel verschillende ionen en oplosmiddelen. We proberen de talloze interacties te begrijpen die zich voordoen in complexe omgevingen."

Hoewel het begrip van specifieke ion-effecten teruggaat tot het werk van Franz Hofmeister in de late 19e eeuw, die ontdekte dat er een specifieke volgorde was voor het vermogen van een ion om eiwitproteïnen in oplossing neer te slaan, bekend als de Hofmeister-serie, het verklaarde gedrag niet in verschillende, complexere systemen.

"We hebben geen universele theorie om te voorspellen hoe deze polymeren zullen reageren op verschillende chemische omgevingen. Zo'n voorspellende theorie is nodig om door te gaan naar toepassingen."

Robertson en medewerkers zullen verder onderzoek doen met meer experimenten op Platypus en Spatz en andere technieken, zoals ellipsometrie. De experimentele gegevens die op Platypus zijn verzameld, worden gebruikt om computermodellen te informeren, met als doel een voorspellend model vast te stellen voor het gedrag van de polymeerborstels in complexe omgevingen.

"Ons doel is om beter te begrijpen hoe oppervlakken en de moleculaire interacties die daarop plaatsvinden, kunnen worden geconstrueerd, ' zei Prescott.

Het team werkt samen met industriële partners om deze kennis te gebruiken bij de ontwikkeling van milieuvriendelijke reinigingsmiddelen voor huishoudelijke/persoonlijke verzorgingsproducten, en meer waterefficiënte minerale verwerkingsadditieven voor de Australische mijnbouw.