Om borsten på en borste plötsligt kollapsade till nudlar, borsten skulle, självklart, bli värdelös. När det är en borste i mikronskala som kallas en "polyelektrolytborste, " den kollapsen kan sätta ett lovande experimentellt läkemedel eller smörjmedel ur drift.

Men nu visar en ny studie, i detalj, saker som får dessa speciella borst att kollapsa – och även återhämta sig. Forskningen ökar förståelsen för dessa kemiska borstar som har många potentiella användningsområden.

Vad är polyelektrolytborstar?

Polyelektrolytborstar ser lite ut som mjuka buskar, som skoputsningsborstar, men de är i skalan av stora molekyler och "borsten" är gjorda av polymerkedjor. Polyelektrolytborstar har en baksida, eller substrat, och polymerkedjorna som är bundna till baksidan som mjuka borst har kemiska egenskaper som gör borsten potentiellt intressant för många praktiska användningar.

Men polymerer är trådiga och tenderar att trassla ihop sig eller klumpa sig, och hålla dem räta ut, som mjuka borst, är avgörande för funktionen hos dessa mikronborstar. Forskare vid Georgia Institute of Technology, University of Chicago, och Argonne National Laboratory utarbetade experiment som fick borstborsten av polyelektrolyt att kollapsa och sedan återhämta sig från kollapsen.

De avbildade processerna i detalj med mycket känslig atomkraftsmikroskopi, och de konstruerade simuleringar som nära matchade deras observationer. Chefsutredare Blair Brettmann från Georgia Tech och studiens första författare Jing Yu och Nicholas Jackson från University of Chicago publicerade sina resultat den 8 december, 2017, i journalen Vetenskapens framsteg .

Deras forskning stöddes av det amerikanska energidepartementet, National Science Foundation, och Argonne National Laboratory.

Från falskt DNA till smörjmedel

Den potentiella framtida vinsten för forskarnas arbete sträcker sig från industrimaterial till medicin.

Till exempel, polyelektrolytborstar gör för ytor som har sin egen inbyggda smörjning. "Om du fäster borstarna på motsatta ytor, och borsten gnider mot varandra, då har de riktigt låg friktion och utmärkta smörjegenskaper, sa Blair Brettmann, som ledde studien och nyligen gick med i Georgia Tech från University of Chicago.

Polyelektrolytborstar kan också en dag hitta medicinska tillämpningar. Deras borst har visat sig simulera DNA och koda för enkla proteiner. Andra borstar skulle kunna konstrueras för att stöta bort bakterier från ytor. Vissa polyelektrolytborstar finns redan i kroppen på ytan av vissa celler.

Polyelektrolytborstar kan göra så många olika saker eftersom de kan konstrueras i så många variationer.

"När du bygger borstarna, du har mycket kontroll, sa Brettmann, som är biträdande professor vid Georgia Techs School of Materials Science and Engineering. "Du kan kontrollera på nanoskala hur långt ifrån varandra polymerkedjorna (borsten) är placerade på substratet och hur långa de är."

De är invecklade och känsliga

Trots all deras stora potential, polyelektrolytborstar är också komplexa och känsliga, och det krävs mycket forskning för att förstå hur man kan optimera dem.

Polymerkedjorna har positiva och negativa joniska, eller elektrolytisk, laddningar som växlar längs deras längder, alltså namnet "polyelektrolyt". Kemister kan stränga ihop polymererna med hjälp av olika kemiska byggstenar, eller monomerer, och designa nyanserade laddningsmönster upp och ner i kedjan.

Det finns mer komplexitet:Baksida och borst är inte allt som utgör polyelektrolytborstar. De badas i lösningar som innehåller skonsamma elektrolyter, som skapar en balanserad jondragning från alla sidor som stöttar upp borsten istället för att låta dem kollapsa eller trassla in sig.

"Ofta har dessa blandningar en massa andra saker i dem, så komplexiteten i detta gör det verkligen svårt att förstå i grunden, "Brettmann sa, "och därmed svårt att kunna förutsäga beteende i verkliga tillämpningar."

Invaderande föroreningar

När andra kemikalier kommer in i dessa välbalanserade system som utgör polyelektrolytborstar, de kan få borsten att kollapsa. Till exempel, tillsatsen av mycket kraftfulla elektrolyter kan fungera som en flock förstörande bollar.

I deras experiment, Brettmann och hennes kollegor använde en kraftfull jonförening byggd kring yttrium, en sällsynt jordartsmetall med stark laddning. (Jonen var trevärd, eller hade en valens på 3.) Jonkrafterna från bara en låg dos av yttriumelektrolyten fick polymerborsten att krulla ihop sig som klumpar av klibbig spagetti.

Sedan ökade forskarna koncentrationen av de mildare jonerna, som återställde stödet, stötta borsten uppåt. Avbildning av atomkraftmikroskop avslöjade mycket regelbundna mönster av kollaps och återförlängning.

Dessa mönster återspeglades väl i simuleringarna; tillförlitligheten av jonernas effekter på kollaps och återhämtning ännu mer. Förmågan att bygga en sådan exakt simulering återspeglar den starka konsistensen i kemin, vilket är goda nyheter för potentiell framtida forskning och praktiska tillämpningar.

Värdelöst blir användbart

För all dysfunktion som borsten kollapsar kan orsaka, förmågan att kollapsa dem med avsikt kan vara användbar. "Om du kunde kollapsa och återaktivera borsten systematiskt, du kan justera graden av smörjning, till exempel, eller slå på och av smörjningen, sa Brettmann.

Borstarna kan också reglera kemiska reaktioner som involverar mikro- och nanopartiklar genom att sträcka ut och kollapsa borsten.

"Beläggningar och filmer tillverkas ofta genom att noggrant kombinera tekniska partiklar, och du kan använda dessa borstar för att hålla dessa partiklar suspenderade och åtskilda tills du är redo att låta dem mötas, obligation, och bilda produkten, sa Brettmann.

När polyelektrolytborstens borst sträcks ut, de fungerar som en barriär för att hålla isär partiklarna. Fäll ihop borsten ur vägen med avsikt, och partiklarna kan komma samman.

Det är en otäck värld

Experimenten utfördes med mycket rena, robust, och enhetliga föreningar till skillnad från virrvarret av kemikalier som kan finnas i naturliga eller till och med industriella system.

"De borst vi använde var polystyrensulfonat, som är en mycket stark polyelektrolyt, inte känslig för pH eller mycket annat, "Brettmann sa. "Biopolymerer som polysackarider, till exempel, är mycket känsligare."

Som många experiment, den här var en avvikelse från verkliga förhållanden. Men genom att skapa en grund för att förstå hur dessa system fungerar, Brettmann vill så småningom kunna gå vidare till känsliga scenarier för att realisera mer av polyelektrolytborstars praktiska potential.