In Wetenschap , hebben TU/e-onderzoekers hun studie gepubliceerd over nieuwe faseovergangen van oplossingen en gels in water, die tegen de basisprincipes van de chemie lijken in te gaan en die ze bij toeval ontdekten.

In de chemie verandert een hydrogel in een vloeistof door deze te verdunnen met water. Voor de omgekeerde overgang verhoogt u de hydrogelconcentratie. TU/e-onderzoekers onder leiding van Bert Meijer ontdekten echter bij toeval dat hun vloeibare oplossing bij verdunning in een hydrogel veranderde. Dit fenomeen was nog niet eerder onderzocht of beschreven en zou gevolgen kunnen hebben op veel gebieden in de chemie en biologie.

Het onderzoek richt zich op de vorming van bepaalde hydrogels. Dat betekent dat het begint met een waterige oplossing van in dit geval twee stoffen (een oppervlakteactieve stof en een monomeer). Uit het onderzoek blijkt dat bij een bepaalde verhouding van deze twee stoffen in water een gel wordt gevormd. Deze gel wordt gevormd door lange, supramoleculaire netwerken die uit beide stoffen bestaan. De hoeveelheden van deze stoffen in water (de concentraties) bepalen ook waar de faseovergang van de gelvorming zich bevindt. Bij het verlagen van de concentratie zonder de verhouding tussen de twee componenten te veranderen, lost de gel op en wordt vloeibaar. Tot nu toe is dit bekend terrein.

Bijzonder is echter dat als de oplossing nog verder wordt verdund, er weer een gel ontstaat. Er vormen zich nu andere supramoleculaire structuren en het wordt weer een hydrogel. En als het dan nog verder verdund wordt, wordt het weer vloeibaar. In de paper is zorgvuldig gekeken wat de juiste verhoudingen van de werkzame stoffen moeten zijn en bij welke concentraties de faseovergangen plaatsvinden. Deze overgangen zijn ook volledig omkeerbaar. Als de concentraties worden verhoogd, vinden de overgangen van vloeistof naar gel naar vloeistof naar gel op dezelfde punten plaats. Dit fenomeen zou ook op andere gebieden, zoals biologie, aanwezig moeten zijn, maar is nog nooit eerder onderzocht en gedocumenteerd.

Per ongeluk ontdekt

Deze zogenaamde verdunning-geïnduceerde zelfassemblage is al zo'n tien jaar onderwerp van onderzoek in de onderzoeksgroep van Bert Meijer. Het was echter moeilijk om deze overgangen te bereiken om een ​​vaste stof te vormen en deze in waterige oplossingen te laten werken. Maar Jesús Mosquera en Cyprien Muller ontdekten per ongeluk in oktober 2019 dat hun vloeibare mengsel van twee componenten bij verdunning een hydrogel werd.

"Het is heel waardevol om te laten zien dat wat je leert in je eerste scheikundelessen niet altijd opgaat. Bij het verdunnen worden niet alle gels en oplossingen per definitie vloeibaar", zegt Meijer.

Lu Su, hoofdauteur van de Science papier, was meteen geïntrigeerd door dat resultaat. “Het was een bijzondere, toevallige bevinding. En ik zag meteen meer mogelijkheden. Wat als we een dubbele overgang zouden kunnen aantonen? Dus van een gel naar een vloeistof, terug naar een gel en weer terug naar een vloeistof door gewoon meer water toe te voegen. "

"Ik moet eerlijk zijn, toen Jesús en Cyprien aan hun onderzoek begonnen, was ik er niet direct van overtuigd dat we iets bijzonders in handen hadden", zegt Meijer. “Maar als groepsleider moet je jonge onderzoekers steunen en vertrouwen als ze aan iets beginnen waar ze enthousiast over zijn en je ziet het zelf nog niet. Omdat het een nieuw gebied voor ons was, zei mijn intuïtie dat ik positief moest zijn. En dat is het grappige van onderzoek. Vaak werkt wat je van tevoren ontwerpt niet, maar je kunt het onvoorziene per ongeluk ontdekken. Daarom heb ik ze vanaf het begin ondersteund bij het opzetten en ontwikkelen van hun onderzoek."

Lockdowns

De timing van de vondst is belangrijk om te vermelden, want niet lang daarna kreeg de hele wereld te maken met lockdowns en gingen ook de TU/e-labs dicht. Dat gaf Su veel tijd om na te denken over hoe ze dit met haar collega's kon aanpakken nadat Jesús en Cyprien Nederland hadden verlaten om een ​​carrière in het buitenland na te streven. "Tijdens Teams-bijeenkomsten hebben we met de groep gebrainstormd hoe we de experimenten konden opzetten. Samen kwamen we tot een goede opzet voor aanvullende experimenten."

Dus toen de labs in de zomer van 2020 weer open gingen, begonnen ze meteen hun ideeën te verkennen. "En het bleek te kloppen!" zegt Su. "Binnen een maand hadden we de basis van onze experimenten gedaan en de overgangen van hydrogel-oplossing-hydrogel-oplossing (gel-sol-gel-sol) aangetoond."

In het najaar schreven de onderzoekers gezamenlijk de eerste versie van hun artikel, maar het werk was nog niet klaar. "Als je iets bijzonders vindt, wil je zeker weten dat je interpretaties kloppen. Daarom heb ik ze aangemoedigd om te investeren in het waarborgen van reproduceerbaarheid en het verbreden van de scope", zegt Meijer. Een nieuwe reeks experimenten werd opgezet door Su. Helaas kon ze deze vanwege haar zwangerschap niet zelf in het chemisch labo uitvoeren, maar collega's konden het van haar overnemen. Experimenten werden verschillende keren herhaald om nog betrouwbaardere resultaten te krijgen.

Volgens Meijer is het moeilijk te zeggen hoe groot de effecten van hun ontdekking zullen zijn, maar zeker is dat het een grote impact zal hebben op de chemie en biologie. "Zulke hydrogels kunnen goede oplossingen zijn voor bestaande uitdagingen, zoals voor het kweken van stamcellen. In de gel kunnen de cellen zich veilig delen in drie dimensies en als er genoeg zijn, verdun je de oplossing en kunnen de cellen goed worden gebruikt Dat is bijvoorbeeld onderzoek dat we nu samen met de groep van Patricia Dankers doen. De kunst is natuurlijk om de juiste stoffen te vinden die dit gedrag vertonen maar niet reageren op de celwanden of daaraan blijven plakken Zo leidt ons onderzoek tot ander onderzoek." + Verder verkennen

Bewijs gevonden voor het bestaan ​​van twee vormen van vloeibaar water