دانشمندان مرکز تحقیقاتی پل شرر سوئیس (PSI) و دانشگاه بارسلونا موفق به توضیح رفتار عجیب میکروژل ها شده اند.
به گزارش تکناک، آزمایش‌های آنها با پرتوهای نوترونی، قابلیت‌های این روش اندازه‌گیری را تا حدی افزایش داده است. این پیشرفت پتانسیل امیدوارکننده ای برای کاربردهای جدید در زمینه های علم مواد و تحقیقات دارویی دارد.
آنها از طریق شریان های ما جریان می یابند، به دیوار های ما رنگ می بخشند یا شیر را خوش طعم می کنند. میکروژل ها ذرات یا قطرات ریزی هستند در یک حلال توزیع شده اند و با هم یک کلوئید را تشکیل می دهند.
در حالی که فیزیک کلوئیدهایی که شامل ذرات سخت هستند مانند رنگدانه های رنگی در رنگ امولسیونی به خوبی درک شده است، کلوئیدهای حاوی ذرات نرم مانند هموگلوبین (رنگدانه قرمز در خون)، یا قطرات چربی در شیرشگفتی های زیادی دارند.
آزمایشی که 15 سال پیش انجام شد نشان داد که ذرات نرم ساخته شده از پلیمرها یا به اصطلاح میکروژل ها هنگامی که غلظت آنها در یک حلال بالاتر از یک آستانه خاص افزایش می یابد، به طور ناگهانی منقبض می شوند. وقتی این اتفاق می‌افتد، ذرات بزرگ منقبض می‌شوند تا به اندازه همسایه‌های کوچک‌تر خود شوند. به طرز شگفت انگیزی، این اتفاق می افتد حتی زمانی که ذرات در واقع با یکدیگر تماس ندارند.
محققان متحیر بودند: چگونه یک ذره تماس با آن می داند همسایه اش چقدر بزرگ است؟ آیا نوعی تله پاتی بین میکروژل ها وجود دارد؟
فرضیه 2016 تایید شد
اورس گاسر لبخند می زند: البته که نه. این فیزیکدان در ده سال گذشته در حال مطالعه بر روی کوچک شدن معجزه آسای میکروژل ها در کلوئیدها بوده است.
او به همراه تیمی از محققان مقاله ای را در سال 2016 منتشر کرد که این پدیده را توضیح می داد. به طور خلاصه، در این شرایط، ذرات پلیمری از زنجیره های کربنی بلند تشکیل شده اند. اینها در یک انتها بار منفی ضعیفی دارند. این زنجیره ها یک توپ، میکروژل را تشکیل می دهند. این را می توان شبیه به یک توپ پشمی با خواص اسفنج در نظر گرفت.
بنابراین این توپ سه بعدی حاوی بارهای نقطه ای منفی است که یون های دارای بار مثبت را در مایع جذب می کند. این به اصطلاح ضدیون ها خود را در اطراف بارهای منفی در توپ قرار می دهند و ابری با بار مثبت روی سطح میکروژل تشکیل می دهند. وقتی میکروژل ها به هم نزدیک می شوند، ابرهای بار آنها روی هم قرار می گیرند (تصویر را ببینید). این به نوبه خود فشار داخل مایع را افزایش می دهد که ذرات میکروژل را تا رسیدن به تعادل جدید فشرده می کند.
با این حال، در آن زمان، تیم تحقیقاتی قادر به ارائه اثبات تجربی از ابر ضدیون ها نبود. همراه با دانشجویان دکترای خود بویانگ ژو و آلبرتو فرناندز-نیوز از دانشگاه بارسلونا، گاسر اکنون این شواهد را ارائه کرده است که به طرز چشمگیری از فرضیه 2016 پشتیبانی می کند. نتایج در مجله Nature Communications منتشر شده است.
منبع نوترون SINQ برای حل پازل بسیار مهم است
این کشف به لطف نوترون های منبع اسپلاسیون PSI SINQ به همراه با یک ترفند تجربی میسر شد. زیرا ابر ضدیون در کلوئید به قدری کمیاب است که در تصویر نوترون های پراکنده دیده نمی شود. یون های مخالف بیش از یک درصد از جرم یک میکروژل را تشکیل نمی دهند.
بنابراین گاسر، ژو و فرناندز-نیوز دو نمونه را مورد بررسی قرار دادند: یک کلوئید که در آن تمام یون‌های مخالف یون‌های سدیم بودند و دیگری که در آن یون‌های آمونیوم (NH4) بودند. هر دوی این یون ها به طور طبیعی در میکروژل ها نیز وجود دارند و نوترون ها را به طور متفاوتی پراکنده می کنند. کم کردن یک تصویر از تصویر دیگر، سیگنال های یون های مخالف را به جا می گذارد. بویانگ ژو: این راه حل به ظاهر ساده نیاز به نهایت دقت در آماده سازی کلوئیدها دارد تا ابرهای یونی قابل مشاهده باشند. هیچ کس تا به حال چنین ابر یونی کمیاب را اندازه گیری نکرده است.
کاربرد در لوازم آرایشی و دارویی
دانستن اینکه میکروژل‌ها چگونه در کلوئیدها رفتار می‌کنند به این معنی است که می‌توان آنها را متناسب با کاربردهای مختلف طراحی کرد. در صنعت نفت برای تنظیم ویسکوزیته نفت در چاه و تسهیل استخراج آن به مخازن زیرزمینی پمپ می شوند. در لوازم آرایشی به کرم ها قوام دلخواه را می دهند.
میکروژل‌های هوشمند همچنین می‌توانند با دارو ادغام شوند. به عنوان مثال، ذرات می توانند به اسید معده واکنش نشان دهند و با کوچک شدن دارو را آزاد کنند. در غیر این صورت، یک میکروژل می تواند با افزایش دما به یک توپ پلیمری کوچک و فشرده تبدیل شود، توپی که نور را به طور متفاوتی نسبت به حالت متورم خود منعکس می کند. این می تواند به عنوان یک سنسور دما در کانال های مایع باریک استفاده شود. سنسورهای دیگری نیز می توانند برای پاسخ به تغییرات فشار یا آلودگی طراحی شوند. اورس گاسر می گوید: هیچ محدودیتی برای تخیل وجود ندارد.
