Die "Borsten" von Polyelektrolytbürsten aufpeppen und quetschen

Anonim

Wenn die Borsten einer Bürste plötzlich zu Nudeln zusammenfallen würden, würde die Bürste natürlich unbrauchbar werden. Wenn es sich um eine Bürste im Mikrometermaßstab handelt, die "Polyelektrolytbürste" genannt wird, kann dieser Kollaps ein vielversprechendes experimentelles Medikament oder Schmiermittel außer Betrieb setzen.

Aber jetzt offenbart eine neue Studie detailliert, Dinge, die diese speziellen Borsten zusammenbrechen lassen - und sich auch erholen. Die Forschung erhöht das Verständnis dieser chemischen Bürsten, die viele mögliche Anwendungen haben.

Was sind Polyelektrolytbürsten?

Polyelektrolytbürsten sehen ein wenig wie weiche Büsche aus, wie zum Beispiel Schuhputzbürsten, aber sie sind auf der Skala großer Moleküle und die "Borsten" bestehen aus Polymerketten. Polyelektrolytbürsten haben eine Unterlage oder ein Substrat und die Polymerketten, die wie weiche Borsten an der Unterlage angebunden sind, haben chemische Eigenschaften, die die Bürste für viele praktische Anwendungen interessant machen.

Aber Polymere sind fadenziehend und neigen dazu, sich zu verheddern oder zu verklumpen, und ihre Ausrichtung wie weiche Borsten ist für die Funktion dieser Mikronebürsten von entscheidender Bedeutung. Forscher am Georgia Institute of Technology, der University of Chicago und dem Argonne National Laboratory entwickelten Experimente, bei denen Polyelektrolyt-Bürstenborsten kollabieren und sich dann vom Kollaps erholen.

Sie haben die Prozesse detailliert mit hochempfindlicher Rasterkraftmikroskopie abgebildet und Simulationen erstellt, die ihren Beobachtungen sehr nahe kamen. Principal Investigator Blair Brettmann von Georgia Tech und die ersten Autoren der Studie, Jing Yu und Nicholas Jackson von der University of Chicago, veröffentlichten ihre Ergebnisse am 8. Dezember 2017 in der Fachzeitschrift Science Advances .

Ihre Forschung wurde vom US-Energieministerium, der National Science Foundation und dem Argonne National Laboratory unterstützt.

Von Faux DNA zu Schmierstoffen

Die potentielle zukünftige Auszahlung für die Arbeit der Forscher erstreckt sich von industriellen Materialien bis zur Medizin.

Zum Beispiel machen Polyelektrolytbürsten Oberflächen, die ihre eigene eingebaute Schmierung haben. "Wenn Sie die Bürsten an gegenüberliegenden Oberflächen anbringen und die Borsten aneinander reiben, haben sie eine sehr geringe Reibung und hervorragende Schmiereigenschaften", sagte Blair Brettmann, der die Studie leitete und kürzlich an der University of Chicago zu Georgia Tech kam.

Polyelektrolytbürsten könnten auch eines Tages medizinische Anwendungen finden. Ihre Borsten haben gezeigt, dass sie DNA simulieren und einfache Proteine ​​codieren. Andere Bürsten könnten entwickelt werden, um Bakterien von Oberflächen abzustoßen. Einige Polyelektrolytbürsten existieren bereits im Körper auf der Oberfläche einiger Zellen.

Polyelektrolytbürsten können so viele verschiedene Dinge tun, weil sie in so vielen Variationen konstruiert werden können.

"Wenn Sie die Bürsten bauen, haben Sie eine Menge Kontrolle", sagte Brettmann, der eine Assistenzprofessur an der Georgia Tech School of Materials Science and Engineering ist. "Man kann im Nanobereich kontrollieren, wie weit die Polymerketten (die Borsten) auf dem Substrat voneinander entfernt sind und wie lang sie sind."

Sie sind kompliziert und sensibel

Trotz ihres großen Potenzials sind Polyelektrolytbürsten auch komplex und empfindlich, und es bedarf viel Forschung, um zu verstehen, wie sie optimiert werden können.

Die Polymerketten haben positive und negative ionische oder elektrolytische Ladungen, die sich entlang ihrer Länge abwechseln, daher der Name "Polyelektrolyt". Chemiker können die Polymere unter Verwendung verschiedener chemischer Bausteine ​​oder Monomere aneinanderreihen und nuancierte Ladungsmuster in der Kette nach oben und nach unten entwerfen.

Es gibt mehr Komplexität: Backing und Borsten sind nicht alles, was Polyelektrolytbürsten ausmacht. Sie werden in Lösungen getaucht, die zarte Elektrolyte enthalten, die von allen Seiten einen ausgeglichenen Ionenzug erzeugen, der die Borsten hochhält, anstatt sie zusammenzubrechen oder sich zu verfangen.

"Oft enthalten diese Mischungen eine Menge anderer Dinge, und aufgrund der Komplexität ist es wirklich schwer zu verstehen", sagte Brettmann, "und daher ist es schwer, das Verhalten in realen Anwendungen vorherzusagen."

Eindringende Verunreinigungen

Wenn andere Chemikalien in diese ausgewogenen Systeme eindringen, die Polyelektrolytbürsten bilden, können sie die Borsten zusammenbrechen lassen. Zum Beispiel kann die Zugabe von sehr starken Elektrolyten wie ein Schwarm von Abrissbirnen wirken.

In ihrem Experiment verwendeten Brettmann und ihre Kollegen eine starke ionische Verbindung, die um Yttrium herum aufgebaut war, ein Seltenerdmetall mit einer starken Ladung. (Das Ion war dreiwertig oder hatte eine Valenz von 3.) Die Ionenkräfte von nur einer geringen Dosis des Yttriumelektrolyten ließen die Polymerborsten wie Klumpen von klebrigen Spaghetti aufrollen.

Dann erhöhten die Forscher die Konzentration der sanfteren Ionen, die die Stütze wiederherstellten und die Borsten wieder stützten. Die Rasterkraftmikroskop-Bildgebung zeigte hochgradig regelmäßige Muster des Kollaps und der Reextension.

Diese Muster wurden in den Simulationen gut wiedergegeben; die Zuverlässigkeit der Auswirkungen der Ionen auf Kollaps und Erholung noch mehr. Die Fähigkeit, eine solch genaue Simulation zu erstellen, spiegelt die starke Konsistenz der Chemie wider, was eine gute Nachricht für potenzielle zukünftige Forschung und praktische Anwendungen ist.

Nutzlos wird nützlich

Für all die Funktionsstörungen, die der Zusammenbruch der Borsten verursachen kann, kann die Fähigkeit, sie absichtlich zu kollabieren, nützlich sein. "Wenn man die Borsten systematisch kollabieren und reaktivieren könnte, könnte man beispielsweise den Grad der Schmierung einstellen oder die Schmierung ein- und ausschalten", sagte Brettmann.

Die Bürsten könnten auch chemische Reaktionen regulieren, die Mikro- und Nanopartikel involvieren, indem die Borsten ausgedehnt und kollabiert werden.

"Beschichtungen und Folien werden oft durch sorgfältige Kombination von technischen Partikeln hergestellt, und Sie können diese Bürsten verwenden, um diese Partikel suspendiert und getrennt zu halten, bis Sie sie treffen, verbinden und formen können", sagte Brettmann.

Wenn die Borsten der Polyelektrolytbürste verlängert sind, wirken sie als Barriere, um die Teilchen auseinander zu halten. Falte die Borsten absichtlich weg und die Partikel können zusammenkommen.

Es ist eine böse Welt

Die Experimente wurden mit sehr sauberen, robusten und einheitlichen Verbindungen durchgeführt, im Gegensatz zu dem Durcheinander von Chemikalien, die in natürlichen oder sogar industriellen Systemen existieren können.

"Die Borsten, die wir verwendeten, waren Polystyrolsulfonat, das ein sehr starker Polyelektrolyt ist, nicht pH-empfindlich oder sonst etwas", sagte Brettmann. "Biopolymere wie Polysaccharide zum Beispiel sind viel empfindlicher."

Wie viele Experimente war dies eine Abkehr von realen Bedingungen. Indem er jedoch eine Grundlage schafft, um zu verstehen, wie diese Systeme funktionieren, will Brettmann schließlich in der Lage sein, zu sensiblen Szenarien überzugehen, um mehr von den praktischen Möglichkeiten der Polyelektrolytbürsten zu realisieren.

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