I vetenskap , TU/e-forskare har publicerat sin studie om nya fasövergångar av lösningar och geler i vatten, som verkar gå emot kemins grundläggande principer, och som de upptäckt av en slump.

Inom kemi ändras en hydrogel till en vätska genom att späda den med vatten. För den omvända övergången ökar du hydrogelkoncentrationen. Men TU/e-forskare ledda av Bert Meijer upptäckte av misstag att deras flytande lösning förvandlades till en hydrogel när den späddes ut. Detta fenomen hade inte undersökts eller beskrivits tidigare och kan få konsekvenser inom många områden inom kemi och biologi.

Forskningen fokuserar på bildandet av vissa hydrogeler. Det betyder att det börjar med en vattenlösning av, i detta fall, två ämnen (ett ytaktivt ämne och en monomer). Forskningen visar att en gel bildas i ett specifikt förhållande av dessa två ämnen i vatten. Denna gel bildas av långa, supramolekylära nätverk som består av båda substanserna. Mängderna av dessa ämnen i vatten (koncentrationerna) avgör också var gelbildningens fasövergång finns. När man minskar koncentrationen utan att ändra förhållandet mellan de två komponenterna löses gelén upp och blir flytande. Än så länge är detta bekant territorium.

Vad som är extraordinärt är dock att om lösningen späds ytterligare så bildas en gel igen. Andra supramolekylära strukturer bildas nu och det blir en hydrogel igen. Och späds det sedan ut ytterligare så blir det vätska igen. Uppsatsen undersökte noggrant vilka de korrekta proportionerna av de aktiva substanserna bör vara och vid vilka koncentrationer fasövergångarna äger rum. Dessa övergångar är också helt reversibla. Om koncentrationerna ökar sker övergångarna från vätska till gel till vätska till gel vid samma punkter. Detta fenomen borde finnas inom andra områden, såsom biologi, men har aldrig forskats och dokumenterats tidigare.

Upptäckt av misstag

Denna så kallade utspädningsinducerade självmontering har varit föremål för forskning i Bert Meijers forskargrupp i ett tiotal år. Det var emellertid svårt att uppnå dessa övergångar för att bilda ett fast ämne och att få det att fungera i vattenlösningar. Men Jesús Mosquera och Cyprien Muller upptäckte av misstag i oktober 2019 att deras flytande blandning av två komponenter blev en hydrogel när den späddes ut.

"Det är mycket värdefullt att visa att det du lär dig på dina första kemilektioner inte alltid håller. Vid spädning blir inte alla geler och lösningar vätskor per definition", säger Meijer.

Lu Su, huvudförfattare till Science papper, blev omedelbart fascinerad av det resultatet. "Det var ett speciellt, oavsiktligt fynd. Och jag såg genast fler möjligheter. Tänk om vi kunde demonstrera en dubbel övergång? Så från en gel till en vätska, tillbaka till en gel och tillbaka till en vätska bara genom att tillsätta mer vatten. "

"Jag måste vara ärlig, när Jesús och Cyprien började sin forskning var jag inte direkt övertygad om att vi hade något speciellt på handen", säger Meijer. "Men som gruppledare måste man stötta och lita på unga forskare när de startar något de är exalterade över och man inte ser det själv ännu. Eftersom det var ett nytt område för oss sa min intuition att jag skulle vara positiv. Och det är det roliga med forskning. Ofta fungerar inte det man designar i förväg, men man kan upptäcka det oförutsedda av en slump. Det är därför jag har stöttat dem från början i att sätta upp och utveckla sin forskning."

Låsningar

Tidpunkten för fyndet är viktigt att nämna eftersom inte långt efteråt stod hela världen inför låsningar och TU/e-labben stängdes också. Det gav Su mycket tid att fundera över hur hon kunde tackla detta med sina kollegor efter att Jesús och Cyprien lämnade Nederländerna för att göra karriärer utomlands. "Under Teams möten brainstormade vi tillsammans med gruppen hur vi kunde ställa in experimenten. Tillsammans kom vi fram till en bra uppställning för ytterligare experiment."

Så när labben öppnade igen sommaren 2020 började de genast utforska sina idéer. "Och det visade sig vara rätt!" säger Su. "Inom en månad hade vi gjort grunderna i våra experiment och demonstrerat övergångarna hydrogel-lösning-hydrogel-lösning (gel-sol-gel-sol."

I höstas skrev forskarna gemensamt det första utkastet till sin artikel, men arbetet var ännu inte avslutat. "När man hittar något speciellt vill man vara säker på att ens tolkningar är korrekta. Därför uppmanade jag dem att satsa på att säkerställa reproducerbarhet och bredda omfattningen", säger Meijer. En ny uppsättning experiment sattes upp av Su. Tyvärr, på grund av sin graviditet, kunde hon inte utföra dem i kemilabbet själv, men kollegor kunde ta över efter henne. Experimenten upprepades flera gånger för att få ännu mer tillförlitliga resultat.

Enligt Meijer är det svårt att säga hur omfattande effekterna av deras upptäckt kommer att bli, men det är säkert att det kommer att få stor påverkan på kemi och biologi. "Sådana hydrogeler kan vara bra lösningar för befintliga utmaningar, som för odling av stamceller. I gelén kan cellerna säkert dela sig i tre dimensioner och när det väl räcker späder man ut lösningen och cellerna kan användas rätt bort. Det är till exempel forskning som vi just nu gör tillsammans med gruppen Patricia Dankers. Tricket är förstås att hitta rätt ämnen som uppvisar detta beteende men som inte reagerar på cellväggarna eller fastnar på dem På så sätt leder vår forskning till annan forskning." + Utforska vidare

Bevis har hittats för att det finns två former av flytande vatten