Ryska forskare har föreslagit en teori om fasomvandling i polymergeler. Det förklarar mekanismerna för den dramatiska minskningen av volymen av zwitterjoniska hydrogeler när de kyls. Resultaten publiceras i tidskriften Kemisk kommunikation ( ChemComm ).

Polymergeler har ovanliga egenskaper, inklusive förmågan att absorbera vatten i volymer hundratals gånger större än deras egna. Till exempel, vissa hydrogeler kan hålla upp till två kilo vatten per gram torr gel. Genom att ändra temperaturen eller tillsätta lösningsmedel, olika önskade egenskaper kan uppnås. Det är därför polymergeler används inom industrin och biomedicin, inklusive för riktad leverans av medicin, skapande av konstgjord hud, barnleksaker, etc.

Om du tar en gel som innehåller en hög volym lösningsmedel och gradvis sänker dess temperatur, när en viss temperaturgräns uppnås, det kommer att bli en kraftig minskning av gelens volym och en stor mängd vätska kommer att pressas ur den - gelen kommer att kollapsa (kontrakt).

Teorin om gelkollaps föreslogs först av de amerikanska fysikerna och kemisterna Paul Flory och John Rehner, Jr. 1943 och utvecklades därefter av den japanska forskaren Tsuyoshi Tanaka. En brist på klassisk teori är att den inte tar hänsyn till särdragen hos polymerlänkarnas molekylära struktur.

Den nya teorin föreslogs av ett team av ryska forskare bestående av Yury Budkov, Professor vid MIEM HSE (HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics), Nikolai Kalikin, en doktorsexamen student vid Krestov Institute of Solution Chemistry vid Ryska vetenskapsakademien, och Andrei Kolesnikov, forskare vid Institute of Non-Classical Chemistry i Leipzig. Forskarna utvecklade en mikroskopisk teori om polymergel, vars länk bär en elektrisk dipol - två elektriska laddningar lika stora, men motsatt i tecknet.

Denna molekylära struktur finns oftast i zwitterjoniska polymerer, vars enheter bär både positivt och negativt laddade jongrupper.

Författarna har visat att vid tillräckligt låga temperaturer är det den elektrostatiska interaktionen mellan polymerenheter som leder till gelkollaps. De namngav också huvudparametrarna som påverkar övergångstemperaturen från expanderat till sammandraget tillstånd:dipolmomentvärdet (produkten av laddningen per dipollängd) och förhållandet mellan bindningslängden mellan angränsande länkar i polymerkedjan till dipollängden.

Det senare resultatet är ett betydande framsteg inom gelteorin jämfört med den klassiska Flory-Rehner-Tanaka-teorin, som inte tar hänsyn till den specifika molekylstrukturen för polymerlänkar.

"I praktiken, vi kan inte kontrollera polymerlänkarnas molekylära egenskaper, men tack vare vår teori kommer kemister att kunna skapa polymerer med lämpliga egenskaper i förväg och kontrollera kollapsstemperaturen, "kommenterar Yury Budkov, professor vid MIEM HSE.

Forskarna noterar att de teoretiska utvärderingar som görs kommer att vara användbara i moderna tillämpningar av zwitterjoniska geler, såsom superabsorbenter, molekylära nanoreaktorer, antibakteriella beläggningar, elektriskt ledande membran för kemiska strömkällor, konstgjord hud, konstgjorda muskler och andra.

Varje år, de ChemComm redaktionens kortlistor unga forskare från hela världen som arbetar inom olika kemiområden och uppmanar dem att publicera i ett särskilt Emerging Investigators -nummer. Det här året, Yury Budkov var bland de inbjudna unga forskarna inom teoretisk och fysisk kemi.