Scienziati russi hanno proposto una teoria della trasformazione di fase nei gel polimerici. Spiega i meccanismi della drastica riduzione del volume degli idrogel zwitterionici quando vengono raffreddati. I risultati sono pubblicati sulla rivista Comunicazioni chimiche ( ChemComm ).

I gel polimerici hanno proprietà insolite, compresa la capacità di assorbire acqua in volumi centinaia di volte maggiori del proprio. Per esempio, alcuni idrogel sono in grado di contenere fino a due chilogrammi di acqua per grammo di gel secco. Modificando la temperatura o aggiungendo solventi, si possono ottenere varie proprietà desiderate. Ecco perché i gel polimerici vengono utilizzati nell'industria e nella biomedicina, anche per la somministrazione mirata di farmaci, creazione di pelle artificiale, giocattoli per bambini, eccetera.

Se prendi un gel contenente un alto volume di solvente e ne abbassi gradualmente la temperatura, al raggiungimento di una certa soglia di temperatura, ci sarà una forte diminuzione del volume del gel e una grande quantità di liquido verrà spremuta da esso:il gel collasserà (contrazione).

La teoria del collasso del gel è stata proposta per la prima volta dai fisici e chimici americani Paul Flory e John Rehner, Jr. nel 1943 e successivamente sviluppato dallo scienziato giapponese Tsuyoshi Tanaka. Un difetto della teoria classica è che non tiene conto delle peculiarità della struttura molecolare dei legami polimerici.

La nuova teoria è stata proposta da un team di scienziati russi composto da Yury Budkov, Professore al MIEM HSE (HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics), Nikolai Kalkin, un dottorato di ricerca studente presso l'Istituto di chimica delle soluzioni Krestov dell'Accademia delle scienze russa, e Andrei Kolesnikov, ricercatore presso l'Istituto di chimica non classica di Lipsia. I ricercatori hanno sviluppato una teoria microscopica del gel polimerico, ogni collegamento porta un dipolo elettrico, due cariche elettriche uguali in grandezza, ma di segno opposto.

Questa struttura molecolare si trova più comunemente nei polimeri zwitterionici, le cui unità portano gruppi ionici carichi sia positivamente che negativamente.

Gli autori hanno dimostrato che a temperature sufficientemente basse è l'interazione elettrostatica delle unità polimeriche che porta al collasso del gel. Hanno anche chiamato i principali parametri che influenzano la temperatura di transizione dallo stato espanso a quello contratto:il valore del momento dipolare (il prodotto della carica per la lunghezza del dipolo) e il rapporto tra la lunghezza del legame tra i collegamenti adiacenti della catena polimerica e la lunghezza del dipolo.

Quest'ultimo risultato è un significativo passo avanti nella teoria dei gel rispetto alla classica teoria di Flory-Rehner-Tanaka, che non tiene conto della struttura molecolare specifica dei legami polimerici.

"In pratica, non possiamo controllare le proprietà molecolari dei legami polimerici, ma grazie alla nostra teoria i chimici saranno in grado di creare in anticipo polimeri con proprietà adeguate e controllare la temperatura di collasso, " commenta Yury Budkov, professore presso MIEM HSE.

Gli scienziati fanno notare che le valutazioni teoriche fatte saranno utili nelle moderne applicazioni dei gel zwitterionici, come superassorbenti, nanoreattori molecolari, rivestimenti antibatterici, membrane elettricamente conduttive per sorgenti di corrente chimica, pelle artificiale, muscoli artificiali e altri.

Ogni anno, il ChemComm Il comitato editoriale seleziona i giovani ricercatori di tutto il mondo che lavorano in diverse aree della chimica e li invita a pubblicare in un numero speciale di Emerging Investigators. Quest'anno, Yury Budkov è stato tra i giovani scienziati invitati nel campo della chimica teorica e fisica.