Исследователи из России предложили теорию фазовых превращений в полимерных гелях, которая объясняет механизм резкого уменьшения объема биполярных гидрогелей при их охлаждении. Благодаря новой теории станет возможно создавать полимеры с нужными свойствами и управлять ими. Работа ученых опубликована в журнале Chemical Communications.
Полимерные гели способны поглощать воду в объеме, в сотни раз превышающем их собственный. Например, один грамм некоторых гидрогелей способен удерживать до двух килограмм воды. Если взять гель с большой долей растворителя и понижать температуру, то при достижении некоторого предельного значения произойдет резкое уменьшение объема геля и выдавиться большое количество жидкости из его объема — произойдет коллапс.
Впервые теория коллапса геля была предложена американскими физико-химиками Полом Флори и Джоном Ренером-младшим в 1943 году и впоследствии развита японским ученым Тсуеши Танакой. Недостаток классической теории в том, что она не учитывала особенности молекулярной структуры звеньев полимера.
Но теперь команда российских ученых в составе профессора МИЭМ НИУ ВШЭ Юрия Будкова, аспиранта ИХР РАН Николая Каликина и научного сотрудника Института неклассической химии в Лейпциге Андрея Колесникова предложила новую теорию.
Исследователи разработали микроскопическую теорию для полимерного геля, на каждом звене которого расположен электрический диполь — два равных по величине, но противоположных по знаку электрических заряда. Такая молекулярная структура чаще всего встречается в цвиттерионных (биполярных) полимерах, звенья которых несут одновременно положительно и отрицательно заряженные ионные группы.
Авторы показали, что при достаточно низких температурах именно электростатические взаимодействия звеньев полимера приводят к коллапсу геля. А также назвали основные параметры, влияющие на температуру перехода из расширенного в сжатое состояние: величина дипольного момента (произведение заряда на длину диполя) и отношение длины связи между соседними звеньями полимерной цепи к длине диполя.
«На практике мы не можем управлять молекулярными свойствами звеньев полимеров, но благодаря нашей теории химики смогут заранее создавать полимеры с подходящими свойствами и управлять температурой коллапса», — подчеркнул Юрий Будков.
Ученые отмечают, что сделанные теоретические оценки будут полезны в современных приложениях цвиттерионных гелей. Изменив температуру или добавив растворитель, можно получать гели с необходимыми свойствами. Такие полимерные гели могут использоваться для создания искусственный мышц, кожи, молекулярных нанореакторов, суперабсорбентов, а также применяться для адресной доставки лекарств — в заданную область организма.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
