University of Newcastle och UNSW Sydney använder avancerade neutronspridningstekniker vid ANSTO för att utföra forskning om strukturen hos polymerer i komplexa saltmiljöer som i slutändan kommer att ge ett sätt att förutsäga deras beteende för verkliga tillämpningar.

Ämnet för forskningen är polymerborstar, tätt packade uppsättningar av polymerkedjor som är bundna till plana ytor för användning i miljövänliga rengöringsprodukter, miljösanering, mineralbearbetning, bioteknik, sensorer, drogleverans, och membran.

Beteendet hos många av dessa applikationer bestäms till stor del av gränsytan mellan polymeren och ytsubstratet och borstens nanostruktur.

Ett integrerat flerårigt forskningsprogram, ledd av professor Grant Webber och professor Erica Wanless vid University of Newcastle, A/Prof Stuart Prescott vid UNSW, och Dr Andrew Nelson från ANSTO, undersöker och helt karakteriserar polymerborstars invecklade beteende och egenskaper i komplexa miljöer; blandade elektrolyter och icke-vattenhaltiga lösningar.

De är särskilt intresserade av stimuli-känsliga polymerer. Till exempel, polymerkedjorna är mycket "håriga" vid låga temperaturer men vid höga temperaturer, borstarna faller ihop på ytan, med olika salter som ändrar kollapstemperaturen.

Tidigare och nuvarande undersökningar har förlitat sig på neutronreflektometri, på grund av dess unika förmåga att karakterisera gränssnittet i nanoskala.

"Experiment med neutronreflektometern Platypus och Spatz gav in situ information om strukturella förändringar av polymermolekylerna i realtid, " sa instrumentforskaren Dr Andrew Nelson.

"Utvecklingen av dedikerade provmiljöer för polymerborstarna av A/Prof Prescott och dataanalysmjukvara av hans nyligen doktorand Isaac Gresham, betyder att vi är riktigt väl förberedda för dessa experiment, sa Nelson.

Nelson sa att "ANSTOs neutronreflektometrar är väl lämpade för att studera snabba kinetiska reaktioner, och ANSTO har världsledande programvara för att samla in och analysera data."

Det integrerade forskarteamet har publicerat elva tidskriftsartiklar, inklusive en nyligen genomförd studie om polymerrespons på inneslutning som svar på temperatur från Isaac Gresham et al. i Macromolecules och en relaterad studie om polymersvar i närvaro av blandade elektrolyter av Hayden Robertson et al. i Journal of Colloid and Interface Science.

Robertson, en Ph.D. kandidat vid University of Newcastle, tilldelades nyligen Ezio Rizzardo Polymer Scholarship av Australian Academy of Technology and Engineering (ATSE) för sin forskning om att förbättra förståelsen för stimuluskänsliga polymerer för att skapa smarta gränssnitt med avstämbara egenskaper.

"Det som är viktigt med deras beteende är om de tångliknande molekylerna som är fästa på en yta kollapsar eller expanderar i närvaro av olika salter eller lösningsmedel, sa Robertson.

"Beteendet hos dessa polymerborstar i vatten är ganska väl förstått, men det vi är intresserade av är interaktionerna mellan polymererna i närvaro av olika joner, en blandning av joner eller i olika lösningsmedel, såsom propylenkarbonat, " han lade till.

"I naturen och industriella miljöer, du kommer aldrig bara ha vatten, det blir en kombination av massor av olika joner och lösningsmedel. Vi försöker förstå de otaliga interaktioner som uppstår i komplexa miljöer."

Även om en förståelse av specifika joneffekter går tillbaka till arbetet av Franz Hofmeister i slutet av 1800-talet, vem kom på att det fanns en specifik ordning för en jons förmåga att fälla ut äggviteproteiner i lösning, känd som Hofmeister-serien, det förklarade inte beteende på olika sätt, mer komplexa system.

"Vi har ingen universell teori för att förutsäga hur dessa polymerer kommer att reagera på olika kemiska miljöer. En sådan prediktiv teori krävs för att gå vidare till tillämpningar."

Robertson och medarbetare kommer att undersöka ytterligare med fler experiment på Platypus och Spatz och andra tekniker, såsom ellipsometri. De experimentella data som samlats in på Platypus används för att informera beräkningsmodeller, som syftar till att etablera en prediktiv modell för polymerborstarnas beteende i komplexa miljöer.

"Vårt mål är att bättre förstå hur man konstruerar ytor och de molekylära interaktioner som sker vid dem, sa Prescott.

Teamet arbetar med industripartners för att använda denna kunskap i utvecklingen av miljövänliga rengöringsmedel för hushålls-/personvårdsprodukter, och mer vatteneffektiva mineralbearbetningstillsatser för den australiska gruvindustrin.