Si las cerdas de un cepillo se derrumbaran abruptamente en fajos de fideos, el cepillo, por supuesto, se volvería inútil. Cuando se trata de un cepillo a escala de micras llamado "cepillo de polielectrolito", ese colapso puede sacar un prometedor fármaco experimental o lubricantede comisión
Pero ahora un nuevo estudio revela, en detalle, cosas que hacen que estas cerdas especiales colapsen y también se recuperen. La investigación aumenta la comprensión de estos cepillos químicos que tienen muchos usos potenciales.
¿Qué son los cepillos de polielectrolitos?
Los cepillos de polielectrolitos se parecen un poco a los arbustos blandos, como los cepillos para lustrar zapatos, pero están en la escala de moléculas grandes y las "cerdas" están hechas de cadenas de polímeros. Los cepillos de polielectrolitos tienen un respaldo o sustrato, y las cadenas de polímeros están unidasen el respaldo, como las cerdas suaves, tienen propiedades químicas que hacen que el cepillo sea potencialmente interesante para muchos usos prácticos.
Pero los polímeros son fibrosos y tienden a enredarse o agruparse, y mantenerlos enderezados, como cerdas suaves, es vital para la función de estos cepillos de micras. Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de Chicago y el ArgonneEl Laboratorio Nacional ideó experimentos que causaron el colapso de las cerdas de los polielectrolitos y luego se recuperaron del colapso.
Tomaron imágenes de los procesos en detalle con microscopía de fuerza atómica altamente sensible, y construyeron simulaciones que coincidían estrechamente con sus observaciones. El investigador principal Blair Brettmann de Georgia Tech y los primeros autores del estudio Jing Yu y Nicholas Jackson de la Universidad de Chicago publicaron sus resultadosel 8 de diciembre de 2017, en el diario Avances científicos .
Su investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias y el Laboratorio Nacional de Argonne.
desde falso ADN hasta lubricantes
La posible recompensa futura del trabajo de los investigadores abarca desde materiales industriales hasta medicina.
Por ejemplo, los cepillos de polielectrolitos crean superficies que tienen su propia lubricación incorporada. "Si conecta los cepillos a superficies opuestas y las cerdas se rozan entre sí, entonces tienen una fricción muy baja y excelentes propiedades de lubricación", dijoBlair Brettmann, quien dirigió el estudio y recientemente se unió a Georgia Tech de la Universidad de Chicago.
Los cepillos de polielectrolitos también podrían algún día encontrar aplicaciones médicas. Se ha demostrado que sus cerdas simulan el ADN y codifican proteínas simples. Otros cepillos podrían diseñarse para repeler las bacterias de las superficies. Algunos cepillos de polielectrolitos ya existen en el cuerpo en la superficie de algunas células.
Los cepillos de polielectrolitos pueden hacer muchas cosas diferentes porque pueden diseñarse en tantas variaciones.
"Cuando construyes los cepillos, tienes mucho control", dijo Brettmann, profesor asistente en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Puedes controlar en la nanoescala qué tan separadas están las cadenas de polímeros elcerdas están espaciadas en el sustrato y cuánto duran "
Son intrincados y sensibles
A pesar de todo su gran potencial, los cepillos de polielectrolitos también son complejos y sensibles, y se necesita mucha investigación para comprender cómo optimizarlos.
Las cadenas de polímeros tienen cargas iónicas o electrolíticas positivas o negativas que se alternan a lo largo de sus longitudes, por lo tanto, el nombre de "polielectrolito". Los químicos pueden unir los polímeros juntos usando varios bloques de construcción químicos, o monómeros, y diseñar patrones de carga con matices arriba y abajoLa cadena.
Hay más complejidad: el respaldo y las cerdas no son todo lo que conforman los cepillos de polielectrolitos. Están bañados en soluciones que contienen electrolitos suaves, que crean una extracción iónica equilibrada desde todos los lados que apuntala las cerdas en lugar de dejarlas colapsar o enredarse.
"A menudo estas mezclas tienen un montón de otras cosas en ellas, por lo que la complejidad de esto hace que sea realmente difícil de entender fundamentalmente", dijo Brettmann, "y por lo tanto difícil poder predecir el comportamiento en aplicaciones reales".
impurezas invasoras
Cuando otras sustancias químicas entran en estos sistemas bien equilibrados que forman cepillos de polielectrolitos, pueden hacer que las cerdas colapsen. Por ejemplo, la adición de electrolitos muy potentes puede actuar como una bandada de bolas de demolición.
En su experimento, Brettmann y sus colegas usaron un poderoso compuesto iónico construido alrededor del itrio, un metal de tierras raras con una carga fuerte. El ion era trivalente o tenía una valencia de 3. Las fuerzas iónicas de solo una dosis bajadel electrolito de itrio hizo que las cerdas de polímero se enroscaran como grupos de espagueti pegajoso.
Luego, los investigadores aumentaron la concentración de los iones más suaves, lo que restauró el soporte, apuntalando las cerdas hacia arriba. Las imágenes de microscopio de fuerza atómica revelaron patrones muy regulares de colapso y re-extensión.
Estos patrones se reflejaron bien en las simulaciones; la fiabilidad de los efectos de los iones en el colapso y la recuperación aún más. La capacidad de construir una simulación tan precisa refleja la fuerte consistencia de la química, que es una buena noticia para el futuro potencialinvestigación y aplicaciones prácticas.
Inútil se vuelve útil
Para toda la disfunción que pueden causar los colapsos de cerdas, la capacidad de colapsarlos a propósito puede ser útil ". Si pudiera colapsar y reactivar las cerdas sistemáticamente, podría ajustar el grado de lubricación, por ejemplo, o activar la lubricación yfuera ", dijo Brettmann.
Los cepillos también podrían regular las reacciones químicas que involucran micro y nanopartículas al extender y colapsar las cerdas.
"Los recubrimientos y las películas a menudo se fabrican combinando cuidadosamente las partículas de ingeniería, y puede usar estos cepillos para mantener estas partículas suspendidas y separadas hasta que esté listo para dejar que se unan, se unan y formen el producto", dijo Brettmann.
Cuando las cerdas del cepillo de polielectrolito se extienden, actúan como una barrera para mantener las partículas separadas. Colapsa las cerdas fuera del camino a propósito, y las partículas pueden unirse.
Es un mundo desagradable
Los experimentos se realizaron con compuestos muy limpios, robustos y uniformes, a diferencia de la mezcla de productos químicos que pueden existir en sistemas naturales o incluso industriales.
"Las cerdas que utilizamos fueron sulfonato de poliestireno, que es un polielectrolito muy fuerte, no sensible al pH ni mucho más", dijo Brettmann. "Los biopolímeros como los polisacáridos, por ejemplo, son mucho más sensibles".
Al igual que muchos experimentos, este fue un alejamiento de las condiciones del mundo real. Pero al crear una base para comprender cómo funcionan estos sistemas, Brettmann quiere eventualmente poder pasar a escenarios delicados para aprovechar más el potencial práctico de los cepillos de polielectrolitos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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