Produkter som kosmetika, lim, och färger förlitar sig på en gemensam nyckelkomponent:geler. Polymergeler, en geltyp med unika egenskaper, har väckt forskarnas intresse på grund av deras potentiella användningsområden i medicinska tillämpningar.

Studier har visat att modifiering av polymergelers strukturer kan påverka deras egenskaper avsevärt, men det är oklart varför. För att lära dig hur och varför det händer, ett team av forskare från Massachusetts Institute of Technology (MIT) och Department of Energy's (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) använder neutronspridning för att ta en djupare titt.

Polymergeler består av polymerkedjor med korsningar som förbinder dem. När termodynamiska förhållanden förändras, storlekarna på korsningarna ändras i förhållande till kedjorna som förbinder dem. Förändringarna kan få gelerna att bli starkare och utveckla bättre responsegenskaper. För att undersöka dessa relationer, forskarna använder EQ-SANS-instrumentet vid ORNL:s Spallation Neutron Source-en DOE Office of Science User Facility.

"Vi försöker förstå rollen som korsningsstorleken och hur korsningsinteraktionerna bidrar till gelens mekaniska egenskaper, "sa Christopher Lam, postdoktor vid ORNL.

Polymergeler är användbara för läkemedelsleverans eftersom deras strukturer anpassar sig till förändringar i deras miljö. Till exempel, en polymergel med temperaturresponsegenskaper skulle lätt kunna flöda vid rumstemperatur men sedan stelna i en varmare miljö som människokroppen. Dessa typer av geler kan hjälpa till att säkerställa att när ett läkemedel injiceras i kroppen, det stannar i det område det är tänkt att påverka.

Liknande, polymergeler med tryckresponsegenskaper kan utformas för att flyta lätt under lågt tryck i en spruta men sedan stelna när gelén matas ut och trycket ökar.

Neutroner är bra sonder för material som polymergeler, till stor del på grund av deras känslighet för väte och dess isotop, deuterium. Med hjälp av en unik teknik som kallas kontrastmatchning, forskare ersatte några av väteatomerna i gelén med deuterium, vilket gjorde att specifika strukturella komponenter kunde belysas av neutronerna.

Genom att använda EQ-SANS-instrumentets nya rheo-SANS-miljö gjorde forskarna att utsätta gelerna för skjuvspänning-vilket är stress parallellt med materialets tvärsnitt, som två plattor som glider förbi varandra - och observerar motsvarande förändringar i strukturen.

Genom att jämföra hur strukturerna för geler med stora korsningar och de med små korsningar skjuvas och deformeras, forskarna kan börja förstå hur storleken på gelövergångar kan påverka gelegenskaperna. Med hjälp av deras fynd, forskarna kan hitta sätt att utveckla förbättrade polymergeler.

"Om vi ​​har förståelse för gelernas struktur, som i princip ger oss en bättre ram, "sa Lam." Då kan vi säga "vi behöver den här egenskapen, denna kemiska design, och detta förhållande mellan komponenter och koncentration. '

"Jag försöker alltid hitta en balans mellan hur mycket vi gör i grunden och hur vi kan tänka oss att tillämpa det på något vi kommer att använda. Jag försöker använda denna grundläggande förståelse för att verkligen utforma bättre biomedicinska geler."

Andra forskare på detta experiment inkluderar ledande huvudutredare Bradley D. Olsen vid Institutionen för kemiteknik vid MIT, ORNL:s Wei-Ren Chen, och Michelle Calabrese, en postdoktor vid MIT. Forskningen stöds av DOE's Office of Science.