Een nieuw theoretisch raamwerk ontwikkeld door KAUST-onderzoekers daagt het bestaande begrip uit van hoe geladen macromoleculen, bekend als polyelektrolyten, zichzelf assembleren in waterige oplossingen. De bevindingen kunnen leiden tot nieuwe strategieën voor het ontwerpen van functionele zachte materialen, zoals hydrogels en membranen.

Polyelektrolyten zijn lange, ketenachtige moleculen met zich herhalende geladen eenheden. Deze moleculen worden veel gebruikt op verschillende gebieden, waaronder de biomedische en energie-industrie. Het zelfassemblagegedrag van polyelektrolyten is cruciaal voor hun toepassingen.

Volgens de klassieke theorie vormen polyelektrolyten in een waterige omgeving complexen, polyelektrolytcomplexen (PEC's) genoemd, door elektrostatische interacties tussen de geladen eenheden. De grootte, structuur en eigenschappen van PEC's zijn afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de ladingsdichtheid en concentratie van de polyelektrolyten.

Het team onder leiding van professor Jean-Francois Joanny, professor David Morse en professor Nathalie Duru ontwikkelde een nieuw theoretisch raamwerk dat deze klassieke visie uitdaagt. Het belangrijkste inzicht is dat de zelfassemblage van polyelektrolyten niet alleen wordt aangedreven door elektrostatische interacties, maar ook door het uitgesloten volume-effect.

Uitgesloten volume-effect verwijst naar het feit dat twee objecten niet tegelijkertijd dezelfde ruimte kunnen innemen. In het geval van polyelektrolyten komt het uitgesloten volume-effect voort uit het feit dat de moleculen lang en flexibel zijn.

Het team toonde aan dat het uitgesloten volume-effect het zelfassemblagegedrag van polyelektrolyten aanzienlijk kan beïnvloeden, wat leidt tot de vorming van verschillende soorten structuren, zoals clusters en netwerken, in plaats van de traditionele PEC's.

De theorie komt overeen met recente experimentele waarnemingen en biedt een vollediger begrip van de zelfassemblage van polyelektrolyten. De bevindingen kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen met op maat gemaakte eigenschappen voor verschillende toepassingen.