Dr Lester Barnsley, scientifique des instruments au Forschungszentrum Juelich, au système de diffusion de neutrons aux petits angles KWS-1 du Heinz Maier-Leibnitz Zentrum à la Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) à l'Université technique de Munich, où les polymères des goupillons ont été étudiés. Crédit :Wenzel Schuermann/TUM
Ils ressemblent à des goupillons microscopiques :des polymères avec une épine dorsale et des touffes de bras latéraux. Cette conception moléculaire leur confère des capacités inhabituelles :par exemple, ils peuvent lier des agents actifs et les libérer à nouveau lorsque la température change. A l'aide de neutrons, une équipe de recherche de l'Université technique de Munich (TUM) a maintenant réussi à dévoiler les changements dans la structure interne au cours du processus.
« La structure des polymères goupillons, qui ne mesurent que quelques nanomètres, ne peut pas être étudiée par les méthodes optiques classiques :On constate qu'une solution aqueuse contenant ces polymères devient trouble à une certaine température. Mais pourquoi c'est le cas, et comment la colonne vertébrale et les bras latéraux s'étendent dans l'eau ou se contractent, n'a pas encore été clarifié, " rapporte le Pr Christine Papadakis.
Il y a une raison simple pour laquelle les scientifiques aimeraient en savoir plus sur la vie interne des polymères pour goupillons :les molécules duveteuses, qui sont constitués de différentes chaînes polymères et changent brutalement leur solubilité dans l'eau à une certaine température, sont des candidats prometteurs pour diverses applications.
Par exemple, ils pourraient être utilisés comme catalyseurs pour accélérer des réactions chimiques, en tant que commutateurs moléculaires pour ouvrir ou fermer de minuscules valves, ou comme moyen de transport pour les médicaments - les brosses moléculaires pourraient ainsi amener les produits pharmaceutiques vers un centre d'inflammation et, car la température y est élevée, les relâcher directement sur le site d'action.
Cependant, la condition de base pour utiliser les molécules de brosse est que leur comportement puisse être programmé :Théoriquement, les chimistes peuvent utiliser une combinaison de blocs de construction solubles et insolubles dans l'eau pour déterminer précisément à quelle température les polymères s'agglutinent et le liquide dans lequel ils viennent d'être dissous devient trouble. "En pratique, cependant, vous devez savoir exactement comment et dans quelles conditions la structure des polymères change si vous voulez concevoir des molécules de brosses intelligentes, " explique Papadakis.
Les neutrons révèlent leur vie moléculaire interne
Avec son équipe du Soft Matter Physics Group de l'Université technique de Munich, elle a maintenant pu visualiser pour la première fois les changements que subissent les polymères des goupillons avec des bras constitués de deux types de blocs de construction différents lorsque la température atteint le point de trouble.
Lors du chauffage, des brosses moléculaires thermosensibles avec des chaînes latérales de copolymère d'oxyde de propylène/oxyde d'éthylène dans une solution aqueuse séparent les molécules d'eau. Selon la structure du polymère, la structure moléculaire s'effondre au point de trouble, résultant en des bobines de polymère insolubles dans l'eau, qui forment des amas lâches ou compacts selon la teneur en eau résiduelle. Crédit :Reiner Mueller/TUM
Les scientifiques ont utilisé le rayonnement neutronique de la source de neutrons de recherche Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) sur le campus de Garching dans un instrument spécial pour la diffusion des neutrons aux petits angles, qui est exploité par le Forschungszentrum Jülich
Cette méthode est particulièrement bien adaptée à l'investigation car les neutrons sont électriquement neutres et pénètrent donc facilement la matière. Là, ils sont dispersés par les noyaux atomiques, ce qui donne des informations détaillées sur les molécules de la brosse. En combinaison avec la cryomicroscopie électronique moderne, une compréhension détaillée de ces molécules pourrait être obtenue.
Quand les pinceaux s'agglutinent
Les molécules de brosse thermosensible étudiées par l'équipe de Papadakis ont été synthétisées par des chimistes de la National Hellenic Research Foundation en Grèce et de la Technische Universität Dresden, respectivement.
Dans la première étape, les échantillons ont été dissous dans l'eau, puis progressivement chauffé jusqu'au point de trouble et irradié avec des neutrons. Un détecteur surveillait le rayonnement diffusé. Du signal de diffusion, les chercheurs ont pu en déduire les changements structurels.
Selon la structure des polymères, les molécules d'eau se séparent déjà avant que le point de trouble ne soit atteint. Au point de trouble lui-même, la structure moléculaire des polymères s'effondre. Il ne restait que des bobines de polymère insoluble dans l'eau, qui formaient des amas lâches ou compacts selon la teneur en eau résiduelle.
« Les résultats aideront à développer des polymères pour goupillons adaptés à une utilisation pratique, " le physicien est convaincu. " Si vous savez exactement comment les polymères changent au point de trouble, vous pouvez optimiser leur structure chimique pour différentes applications."
