Des scientifiques russes ont proposé une théorie de la transformation de phase dans les gels polymères. Il explique les mécanismes de la réduction spectaculaire de volume des hydrogels zwitterioniques lorsqu'ils sont refroidis. Les résultats sont publiés dans la revue Communications chimiques ( ChemComm ).

Les gels polymères ont des propriétés inhabituelles, y compris la capacité d'absorber de l'eau dans des volumes des centaines de fois supérieurs au leur. Par exemple, certains hydrogels sont capables de contenir jusqu'à deux kilogrammes d'eau par gramme de gel sec. En changeant la température ou en ajoutant des solvants, diverses propriétés souhaitées peuvent être obtenues. C'est pourquoi les gels polymères sont utilisés dans l'industrie et la biomédecine, y compris pour la délivrance ciblée de médicaments, création de peau artificielle, les jouets pour enfants, etc.

Si vous prenez un gel contenant un volume élevé de solvant et abaissez progressivement sa température, lorsqu'un certain seuil de température est atteint, il y aura une forte diminution du volume du gel et une grande quantité de liquide en sera extraite - le gel s'effondrera (contractera).

La théorie de l'effondrement du gel a été proposée pour la première fois par les physiciens et chimistes américains Paul Flory et John Rehner, Jr. en 1943 et développé par la suite par le scientifique japonais Tsuyoshi Tanaka. Un inconvénient de la théorie classique est qu'elle ne prend pas en compte les particularités de la structure moléculaire des liaisons polymères.

La nouvelle théorie a été proposée par une équipe de scientifiques russes composée de Yury Budkov, Professeur au MIEM HSE (HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics), Nikolaï Kalikine, un doctorat étudiant à l'Institut de chimie des solutions de Krestov de l'Académie des sciences de Russie, et Andreï Kolesnikov, chercheur à l'Institut de chimie non classique de Leipzig. Les chercheurs ont développé une théorie microscopique du gel polymère, dont chaque maillon porte un dipôle électrique - deux charges électriques de même amplitude, mais de signe opposé.

Cette structure moléculaire se trouve le plus souvent dans les polymères zwitterioniques, dont les unités portent à la fois des groupes d'ions chargés positivement et négativement.

Les auteurs ont montré qu'à des températures suffisamment basses, c'est l'interaction électrostatique des unités polymères qui conduit à l'effondrement du gel. Ils ont également nommé les principaux paramètres influençant la température de transition de l'état expansé à l'état contracté :la valeur du moment dipolaire (le produit de la charge par longueur de dipôle) et le rapport de la longueur de liaison entre les maillons adjacents de la chaîne polymère à la longueur du dipôle.

Ce dernier résultat est une avancée significative dans la théorie des gels par rapport à la théorie classique de Flory-Rehner-Tanaka, qui ne prend pas en compte la structure moléculaire spécifique des liaisons polymères.

"En pratique, nous ne pouvons pas contrôler les propriétés moléculaires des liaisons polymères, mais grâce à notre théorie, les chimistes pourront créer à l'avance des polymères avec des propriétés appropriées et contrôler la température d'effondrement, " commente Yury Budkov, professeur au MIEM HSE.

Les scientifiques notent que les évaluations théoriques réalisées seront utiles dans les applications modernes des gels zwitterioniques, tels que les superabsorbants, nanoréacteurs moléculaires, revêtements antibactériens, membranes électriquement conductrices pour sources de courant chimiques, peau artificielle, muscles artificiels et autres.

Chaque année, les ChemComm Le comité de rédaction sélectionne de jeunes chercheurs du monde entier travaillant dans différents domaines de la chimie et les invite à publier dans un numéro spécial Emerging Investigators. Cette année, Yury Budkov faisait partie des jeunes scientifiques invités dans le domaine de la chimie théorique et physique.