Se le setole di un pennello crollassero bruscamente in mazzette di pasta, il pennello sarebbe, Certo, diventare inutile. Quando si tratta di un pennello in scala micron chiamato "spazzola in polielettrolita, "Quel crollo può mettere fuori uso un promettente farmaco sperimentale o lubrificante.

Ma ora un nuovo studio rivela, nei minimi dettagli, cose che fanno collassare queste setole speciali e anche recuperare. La ricerca aumenta la comprensione di questi pennelli chimici che hanno molti potenziali usi.

Cosa sono le spazzole in polielettrolita?

Le spazzole in polielettrolita sembrano un po' cespugli morbidi, come spazzole lustrascarpe, ma sono sulla scala di grandi molecole e le "setole" sono fatte di catene polimeriche. Le spazzole in polielettrolita hanno un supporto, o substrato, e le catene polimeriche legate al supporto come setole morbide hanno proprietà chimiche che rendono il pennello potenzialmente interessante per molti usi pratici.

Ma i polimeri sono filamentosi e tendono ad aggrovigliarsi o ad ammassarsi, e tenendoli raddrizzati, come morbide setole, è vitale per la funzione di queste spazzole micron. Ricercatori del Georgia Institute of Technology, l'Università di Chicago, e l'Argonne National Laboratory ha ideato esperimenti che hanno causato il collasso delle setole di spazzole di polielettrolita e poi il recupero dal crollo.

Hanno ripreso i processi in dettaglio con microscopia a forza atomica altamente sensibile, e hanno costruito simulazioni che corrispondevano strettamente alle loro osservazioni. Il ricercatore principale Blair Brettmann della Georgia Tech e i primi autori dello studio Jing Yu e Nicholas Jackson dell'Università di Chicago hanno pubblicato i loro risultati l'8 dicembre. 2017, nel diario Progressi scientifici .

La loro ricerca è stata supportata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, la Fondazione Nazionale della Scienza, e il Laboratorio Nazionale Argonne.

Dal falso DNA ai lubrificanti

Il potenziale guadagno futuro per il lavoro dei ricercatori spazia dai materiali industriali alla medicina.

Per esempio, le spazzole in polielettrolita creano superfici dotate di lubrificazione interna. "Se si attaccano i pennelli a superfici opposte, e le setole si sfregano l'una contro l'altra, poi hanno un bassissimo attrito e ottime proprietà lubrificanti, " ha detto Blair Brettmann, che ha guidato lo studio e recentemente si è unito a Georgia Tech dall'Università di Chicago.

Le spazzole in polielettrolita potrebbero un giorno trovare anche applicazioni mediche. È stato dimostrato che le loro setole simulano il DNA e codificano proteine ​​semplici. Altre spazzole potrebbero essere progettate per respingere i batteri dalle superfici. Alcune spazzole di polielettrolita esistono già nel corpo sulla superficie di alcune cellule.

Le spazzole in polielettrolita possono fare così tante cose diverse perché possono essere progettate in così tante varianti.

"Quando costruisci i pennelli, hai molto controllo, " ha detto Brettmann, che è un assistente professore presso la School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech. "Puoi controllare su scala nanometrica quanto sono distanziate le catene polimeriche (le setole) sul substrato e quanto sono lunghe".

Sono intricati e sensibili

Nonostante tutto il loro grande potenziale, anche le spazzole in polielettrolita sono complesse e sensibili, e sono necessarie molte ricerche per capire come ottimizzarli.

Le catene polimeriche hanno ioni positivi e negativi, o elettrolitico, cariche alternate lungo la loro lunghezza, da qui il nome "polielettrolita". I chimici possono mettere insieme i polimeri utilizzando vari elementi costitutivi chimici, o monomeri, e progettare modelli di carica sfumati su e giù per la catena.

C'è più complessità:il supporto e le setole non sono tutto ciò che compone i pennelli in polielettrolita. Sono immersi in soluzioni contenenti elettroliti delicati, che creano una trazione ionica bilanciata da tutti i lati che sostiene le setole invece di lasciarle collassare o impigliarsi.

"Spesso queste miscele contengono un mucchio di altre cose, quindi la complessità di questo rende davvero difficile capire fondamentalmente, "Brettmann ha detto, "e quindi difficile essere in grado di prevedere il comportamento in applicazioni reali".

Impurità invadenti

Quando altre sostanze chimiche entrano in questi sistemi ben bilanciati che compongono le spazzole in polielettrolita, possono far collassare le setole. Per esempio, l'aggiunta di elettroliti molto potenti può agire come uno stormo di palle da demolizione.

Nel loro esperimento, Brettmann e i suoi colleghi hanno usato un potente composto ionico costruito attorno all'ittrio, un metallo delle terre rare con una forte carica. (Lo ione era trivalente, o aveva una valenza di 3.) Le forze ioniche prodotte da una bassa dose di elettrolita di ittrio hanno fatto arricciare le setole polimeriche come ciuffi di spaghetti appiccicosi.

Quindi i ricercatori hanno aumentato la concentrazione degli ioni più delicati, che ha restituito sostegno, rialzando le setole. L'imaging al microscopio a forza atomica ha rivelato modelli molto regolari di collasso e riestensione.

Questi modelli si riflettevano bene nelle simulazioni; ancor di più l'affidabilità degli effetti degli ioni sul collasso e sul recupero. La capacità di costruire una simulazione così accurata riflette la forte coerenza della chimica, che è una buona notizia per potenziali ricerche future e applicazioni pratiche.

L'inutile diventa utile

Per tutte le disfunzioni che il collasso delle setole può causare, la possibilità di comprimerli di proposito può essere utile. "Se potessi crollare e riattivare sistematicamente le setole, potresti regolare il grado di lubrificazione, Per esempio, oppure attiva e disattiva la lubrificazione, " ha detto Brettmann.

Le spazzole potrebbero anche regolare le reazioni chimiche che coinvolgono micro e nanoparticelle estendendo e comprimendo le setole.

"Rivestimenti e film sono spesso realizzati combinando accuratamente particelle ingegnerizzate, e puoi usare questi pennelli per mantenere queste particelle sospese e separate finché non sei pronto a farle incontrare, legame, e formare il prodotto, " ha detto Brettmann.

Quando le setole della spazzola in polielettrolita sono estese, agiscono come una barriera per tenere separate le particelle. Abbassa le setole di proposito di proposito, e le particelle possono unirsi.

È un mondo brutto

Gli esperimenti sono stati eseguiti con molto pulito, robusto, e composti uniformi a differenza del miscuglio di sostanze chimiche che possono esistere nei sistemi naturali o addirittura industriali.

"Le setole che abbiamo usato erano polistirene solfonato, che è un polielettrolita molto forte, non sensibile al pH o molto altro, " Brettmann ha detto. "I biopolimeri come i polisaccaridi, Per esempio, sono molto più sensibili".

Come molti esperimenti, questo è stato un allontanamento dalle condizioni del mondo reale. Ma creando una base per capire come funzionano questi sistemi, Brettmann vuole alla fine essere in grado di passare a scenari sensibili per realizzare più potenziale pratico delle spazzole in polielettrolita.