Исследователи разработали микроскопическую теорию полимерного геля

© iStock

Российские ученые предложили теорию фазовых превращений в полимерных гелях. Она объясняет механизмы резкого уменьшения объема цвиттерионных гидрогелей при их охлаждении. Результаты опубликованы в журнале Chemical Communications (ChemComm). 

Полимерные гели обладают необычными свойствами, в том числе они поглощают воду в объеме, превышающем их собственный в сотни раз. Например, некоторые гидрогели способны удерживать до двух килограмм воды на один грамм сухого геля.  Изменив температуру или добавив растворители, можно получить определенные свойства, которые нужны. Поэтому полимерные гели используются в промышленности и биомедицине, в том числе для адресной доставки лекарств, создания искусственной кожи, детских игрушек и др. 

Если взять гель с большой объемной долей растворителя и понижать температуру, то при достижении некоторой предельной температуры произойдет резкое уменьшение объема геля и выдавливание большого количества жидкости из его объема – коллапс (сжатие). 

Впервые теория коллапса геля была предложена американскими физико-химиками Полом Флори и Джоном Ренером младшим в 1943 году и впоследствии развита японским ученым Тсуёши Танакой. Недостаток классической теории в том, что она не учитывала особенности молекулярной структуры звеньев полимера. Новую теорию предложила 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. Исследователи разработали микроскопическую теорию полимерного геля, на каждом звене которого расположен электрический диполь – два равных по величине, но противоположные по знаку электрические заряды. 

Такая молекулярная структура чаще всего встречается в цвиттерионных 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. 

Последний результат является существенным продвижением в теории гелей по сравнению с классической теорией Флори-Ренера-Танаки, не учитывающей особенности молекулярной структуры звеньев полимера.

«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», – комментирует Юрий Будков, профессор МИЭМ ВШЭ.

Ученые отмечают, что сделанные теоретические оценки будут полезны в современных приложениях цвиттерионных гелей, таких как суперабсорбенты, молекулярные нанореакторы, антибактериальные покрытия, электропроводящие мембраны для химических источников тока, искусственная кожа, искусственные мышцы и другие. 

Редколлегия ChemComm ежегодно отбирает короткий список молодых исследователей со всего мира, работающих в различных областях химии, и приглашает их для публикации в специальном номере Emerging Investigators. В этом году Юрий Будков оказался в числе приглашенных молодых ученых по направлению «Теоретическая и физическая химия».