L'Università di Newcastle e l'UNSW Sydney stanno utilizzando tecniche avanzate di diffusione dei neutroni presso l'ANSTO per condurre ricerche sulla struttura dei polimeri in ambienti salini complessi che alla fine forniranno un modo per prevederne il comportamento per le applicazioni del mondo reale.

Oggetto della ricerca sono le spazzole polimeriche, serie densamente imballate di catene polimeriche legate a superfici piatte per l'uso in prodotti per la pulizia ecologici, bonifica ambientale, lavorazione dei minerali, biotecnologia, sensori, consegna farmaci, e membrane.

Il comportamento di molte di queste applicazioni è determinato in gran parte dall'interfaccia tra il polimero e il substrato superficiale e la nanostruttura della spazzola.

Un programma di ricerca integrato pluriennale, guidato dal Prof. Grant Webber e dalla Prof.ssa Erica Wanless presso l'Università di Newcastle, A/Prof Stuart Prescott all'UNSW, e il dottor Andrew Nelson dell'ANSTO, sta esaminando e caratterizzando completamente il comportamento contorto e le proprietà delle spazzole polimeriche in ambienti complessi; elettroliti misti e soluzioni non acquose.

Sono particolarmente interessati ai polimeri sensibili agli stimoli. Per esempio, le catene polimeriche sono molto 'pelose' a basse temperature ma ad alta temperatura, le spazzole collassano sulla superficie, con sali diversi che alterano la temperatura di collasso.

Le indagini passate e attuali si sono basate sulla riflettometria di neutroni, a causa della sua capacità unica di caratterizzare l'interfaccia su scala nanometrica.

"Gli esperimenti che utilizzano il riflettometro a neutroni Platypus e Spatz hanno fornito informazioni in situ sui cambiamenti strutturali delle molecole polimeriche in tempo reale, " ha detto lo scienziato dello strumento Dr. Andrew Nelson.

"Lo sviluppo di ambienti campione dedicati per le spazzole polimeriche di A/Prof Prescott e il software di analisi dei dati del suo recente laureato in Ph.D. Isaac Gresham, significa che siamo davvero ben preparati per questi esperimenti, " ha detto Nelson.

Nelson ha affermato che "i riflettometri a neutroni di ANSTO sono adatti per studiare reazioni cinetiche veloci, e ANSTO dispone di un software leader a livello mondiale per l'acquisizione e l'analisi dei dati."

Il gruppo di ricerca integrato ha pubblicato undici articoli su riviste, compreso un recente studio sulle risposte dei polimeri al confinamento in risposta alla temperatura di Isaac Gresham et al. in Macromolecules e uno studio correlato sulle risposte dei polimeri in presenza di elettroliti misti di Hayden Robertson et al. nel Journal of Colloid and Interface Science.

Robertson, un dottorato di ricerca candidato all'Università di Newcastle, è stato recentemente insignito della borsa di studio Ezio Rizzardo Polymer dall'Accademia australiana di tecnologia e ingegneria (ATSE) per la sua ricerca sul miglioramento della comprensione dei polimeri sensibili allo stimolo per creare interfacce intelligenti con proprietà sintonizzabili.

"Ciò che è importante nel loro comportamento è se le molecole simili a alghe che sono attaccate a una superficie collassano o si espandono in presenza di diversi sali o solventi, " ha detto Robertson.

"Il comportamento di queste spazzole polimeriche in acqua è abbastanza ben compreso, ma quello che ci interessa sono le interazioni tra i polimeri in presenza di ioni differenti, una miscela di ioni o in solventi diversi, come il carbonato di propilene, " Ha aggiunto.

"Nella natura e negli ambienti industriali, non avrai mai solo acqua, sarà una combinazione di molti ioni e solventi diversi. Stiamo cercando di capire la miriade di interazioni che sorgono in ambienti complessi".

Sebbene la comprensione degli effetti ionici specifici risalga al lavoro di Franz Hofmeister alla fine del XIX secolo, che ha scoperto che c'era un ordine specifico per la capacità di uno ione di far precipitare le proteine ​​​​dell'albume in soluzione, conosciuta come la serie Hofmeister, non spiegava il comportamento in modo diverso, sistemi più complessi.

"Non abbiamo una teoria universale per prevedere come questi polimeri risponderanno a diversi ambienti chimici. Una tale teoria predittiva è necessaria per avanzare verso le applicazioni".

Robertson e soci indagheranno ulteriormente con ulteriori esperimenti su Platypus e Spatz e altre tecniche, come l'ellissometria. I dati sperimentali raccolti su Platypus vengono utilizzati per informare i modelli computazionali, con l'obiettivo di stabilire un modello predittivo per il comportamento delle spazzole polimeriche in ambienti complessi.

"Il nostro obiettivo è capire meglio come progettare le superfici e le interazioni molecolari che si verificano su di esse, ", ha detto Prescott.

Il team sta lavorando con partner del settore per utilizzare queste conoscenze nello sviluppo di detergenti ecologici per prodotti per la cura della casa e della persona, e additivi per la lavorazione dei minerali più efficienti in termini di acqua per l'industria mineraria australiana.