Einblicke in intelligente Gele
Wissenschaftler erfassen dynamisches Verhalten unter Stress
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Fortschritte in der Materialwissenschaft haben zur Entwicklung von "intelligenten Materialien" geführt, deren Eigenschaften nicht statisch bleiben, sondern sich als Reaktion auf äußere Reize verändern. Ein solches Material ist Poly( N -Isopropylacrylamid), oder PNIPAM, ein Polymergel, das seine Löslichkeit mit der Temperatur ändert. Das Polymer enthält hydrophile Amidgruppen und hydrophobe Isopropylgruppen. Bei niedrigen Temperaturen bilden die Amidgruppen starke Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser, wodurch das Material gut gequollen und löslich bleibt. Mit steigender Temperatur werden diese Wasserstoffbrücken jedoch schwächer, während die hydrophoben Wechselwirkungen stärker werden, so dass die Polymerketten zu kompakten Kügelchen zusammenfallen. Dieser Übergang findet bei der unteren kritischen Lösungstemperatur (LCST) statt, die bei etwa 32 °C liegt, also nahe der menschlichen Körpertemperatur. Dies macht PNIPAM für biomedizinische Anwendungen besonders attraktiv. So kann es beispielsweise im gequollenen Zustand bioaktive Moleküle tragen und diese im Körper durch Entquellung wieder freisetzen. Da die Scherkräfte von Körperflüssigkeiten im menschlichen Körper vorhanden sind, ist die Untersuchung des Verhaltens von PNIPAM unter bestimmten Bedingungen von entscheidender Bedeutung.
Schematische Darstellung des kundenspezifischen Rheo-Impedanz-Geräts, das gleichzeitig eine Scherbeanspruchung ausübt und die sich ändernden elektrischen Eigenschaften des Gels misst. Dieses Gerät kann dynamisch und nicht-invasiv aufzeigen, wie sich die innere Struktur und die Leitfähigkeit des Gels unter realen Bedingungen entwickeln, was wichtige Daten für die Entwicklung besserer intelligenter Materialien liefert.
Dr. Isao Shitanda from Tokyo University of Science Image source link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.5c04227
Obwohl es zahlreiche Studien zu den Phasenübergängen dieser intelligenten Gele gibt, sind die innere Struktur und die elektrische Leitfähigkeit noch nicht erforscht. Vor diesem Hintergrund wurde eine neue Studie durchgeführt.
"In keiner Studie wurden mikroskopische Strukturveränderungen innerhalb des Gels unter Scherspannungsbedingungen oder Variationen der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb des Gels beobachtet, die auf makroskopische Strukturveränderungen während der Phasenübergänge zurückzuführen sind. Unsere Ergebnisse dürften für das Verständnis der Funktionsmechanismen von temperaturabhängigen Polymergelen unter Fließbedingungen von großem Nutzen sein", sagt Dr. Shitanda.
Um dieses Verhalten zu untersuchen, bauten die Forscher ein Rheo-Impedanz-Gerät. Es kombiniert ein Rheometer und einen Potentiostaten. Das Rheometer misst, wie steif oder weich das Gel unter Krafteinwirkung wird, und der Potentiostat misst die Bewegung der elektrischen Ladungen durch das Gel. Mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) konnten sie außerdem direkt beobachten, wie sich die innere Struktur des Gels beim Erhitzen verändert.
In ihren Experimenten erhitzte und kühlte das Team das Gel wiederholt zwischen 20 und 50 °C, während es kontrollierte Scherbelastungen auf das Material ausübte und so Echtzeitanwendungen simulierte. Während dieser Zyklen wurde kontinuierlich gemessen, wie sich die elektrische Impedanz des Gels über ein breites Spektrum von Frequenzen hinweg veränderte.
Unterhalb der LCST verhält sich das Gel wie ein hydratisiertes, flexibles Netzwerk, in dem sich Ionen leicht bewegen, was zu einer guten elektrischen Leitfähigkeit führt. Sobald die Temperatur über die LCST ansteigt, bilden sich im Gel hydrophobe Bereiche. Diese Bereiche wirken wie winzige isolierende Flecken, die die Ionenbewegung blockieren, wodurch sich Ladungen ansammeln und sich sowohl der Widerstand als auch die Kapazität verändern.
Scherbelastungen führten zu zusätzlichen Effekten. Bei geringen Dehnungen zwischen 1-5 % drückte die angewendete Kraft die Elektrolytlösung aus den hydrophoben Bereichen heraus, wodurch sich mehr leitende Pfade öffneten. Bei mäßigen Dehnungen zwischen 5-10 % wurde durch die fortgesetzte Scherung noch mehr Elektrolyt aus dem Gelinneren verdrängt, was die Leitfähigkeit senkte. Bei hohen Dehnungen zwischen 10-20 % begannen die internen hydrophoben Domänen auseinanderzubrechen. Dadurch entstanden neue Lücken und das Netzwerk wurde so umgestaltet, dass die Leitfähigkeit wieder zunahm.
Diese strukturellen Veränderungen wurden durch rheo-SAXS-Messungen bestätigt, die zeigten, dass sich das Gel unter Belastung von einem einheitlichen Netzwerk zu einer phasengetrennten Struktur mit ausgeprägten hydrophilen und hydrophoben Domänen verändert.
PNIPAM wird aufgrund seines temperaturempfindlichen mechanischen und elektrischen Verhaltens bereits in Systemen zur Verabreichung von Arzneimitteln, Zellgerüsten und Mikroaktoren eingesetzt. PNIPAM ist in hohem Maße biokompatibel und kann mit Arzneimitteln beladen werden. Während der Verabreichung sammeln sich die Mikrogele an der Zielstelle und bei leichter Erwärmung kommt es zu einem Phasenübergang, der zur Freisetzung des Medikaments führt. Da die innere Struktur des Gels mit der mechanischen Festigkeit zusammenhängt, könnte PNIPAM für die Entwicklung von weichen Robotern und flexiblen Sensoren verwendet werden. Diese neuartige Rheo-Impedanz-Methode bietet eine nicht-invasive Möglichkeit, das innere Netzwerk solcher Gele zu untersuchen und liefert wertvolle Hinweise für die Entwicklung der nächsten Generation intelligenter Polymere. Die Forscher weisen darauf hin, dass dieser Ansatz bei der Qualitätskontrolle von Produkten auf Gelbasis wie Kosmetika, Lebensmitteln und Arzneimitteln sowie bei Polymerelektrolyten angewendet werden könnte.
"Im Gegensatz zu herkömmlichen statischen Messungen ermöglicht dieser Ansatz eine dynamische In-situ-Bewertung von Funktionsübergängen in Hydrogelen und schafft eine methodische Grundlage für die Erweiterung der Rheoimpedanzanalyse. Es ist zu erwarten, dass dies eine neue Bewertungsmethode für die Verbesserung der Haltbarkeit von Materialien wird", sagt Dr. Shitanda.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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