Strukturen hos tvärbundna polymera geler är mycket lik mjukvävnad - vilket är en anledning till att det är så viktigt att förstå detta material, enligt Kelly Schultz, biträdande professor vid institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid Lehigh University.

Schultz var en del av en speciell session av American Institute of Chemical Engineering (AIChE) årsmöte i Pittsburgh förra månaden, där hon bjöds in att presentera sitt labbs arbete med att avgöra hur ökade koncentrationer av polymerer i lösning förändrar strukturen hos tvärbundna geler. Titeln på sessionen var "AIChE Journal Futures:New Directions in Chemical Engineering Research."

Schultz föredrag baserades på en artikel som hon bidrog med genom inbjudan till AIChE:s inledande "Futures Issues" som utformats för att lyfta fram arbetet från tidiga karriärforskare. Pappret, medförfattare av hennes tidigare Ph.D. studerande, Matthew Wehrman, och fyra Lehigh-studenter, kallas "Reologiska egenskaper och struktur för steg- och kedjetillväxtgeler koncentrerade över överlappningskoncentrationen."

"Att öka koncentrationen av polymerer gör det möjligt för dem att interagera, " säger Schultz. "Dessa interaktioner kan förändra materialets struktur och till och med potentiellt försvaga det."

Genom experiment, hon och hennes team upptäckte att strukturen hos tvärbundna polymera geler är oberoende av koncentration, tills en gräns nås – kallad överlappskoncentration – vilket är när polymererna börjar interagera. Efter denna gräns, strukturen är återigen oberoende av koncentration.

Gruppens centrala upptäckt är att fler polymerer inte nödvändigtvis betyder att gelén blir mer elastisk eller styvare.

"Detta var oväntat, ", säger Schultz. "Vi trodde att det skulle ske en gradvis förändring av ställningsstrukturen, men istället blir det en stegvis förändring när dessa interaktioner blir tillräckligt höga."

Att identifiera denna egenskap kan vara av särskild betydelse för industriella tillämpningar eftersom teamets arbete visar att dessa tvärbundna polymera gelstrukturer kan uppnås med en mindre mängd polymer.

"Med andra ord, säger Schultz, "du kan få det resultat du vill ha med minsta möjliga mängd material."

Schultz arbete med detta är nytt på grund av hur hennes team tittade på ställningar vid höga polymerkoncentrationer - eller med polymera interaktioner. De flesta studier, hon säger, hålla sig under överlappningskoncentrationen så att polymerinteraktioner inte komplicerar gelning.

"Med detta arbete, kemiingenjörer kan börja förstå hur polymera interaktioner ändrar gelstruktur och hur dessa strukturer kan nås vid relativt låga polymerkoncentrationer, säger Schultz.

Teamet använde en teknik som kallas multiple particle tracking microrheology (MPT) för att mäta gelningen av dessa polymera hydrogelställningar. Denna teknik använder videomikroskopi för att fånga den termiska rörelsen hos inbäddade sondpartiklar. Från den termiska rörelsen kan de bestämma materialegenskaper. Genom att använda MPT i kombination med en analysteknik, tidsläkande superposition, de kunde bestämma gelningstiden och strukturen för materialet vid gelpunkten, vilket är när det första samplätspännande nätverksklustret bildas.