Si las cerdas de un cepillo se colapsan abruptamente en fajos de fideos, el pincel lo haría, por supuesto, volverse inútil. Cuando se trata de un cepillo de escala micrométrica llamado "cepillo de polielectrolito, "Ese colapso puede poner fuera de servicio un prometedor medicamento o lubricante experimental.

Pero ahora un nuevo estudio revela, con todo lujo de detalles, 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 polielectrolito se parecen un poco a arbustos suaves, como cepillos de limpiabotas, pero están en la escala de moléculas grandes y las "cerdas" están hechas de cadenas de polímeros. Los cepillos de polielectrolito tienen un respaldo, o sustrato, y las cadenas de polímero atadas al respaldo como 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 manteniéndolos enderezados, como suaves cerdas, es vital para el funcionamiento de estos cepillos de micrones. Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de Chicago, y el Laboratorio Nacional de Argonne ideó experimentos que hicieron que las cerdas de los cepillos de polielectrolito colapsaran y luego se recuperaran del colapso.

Obtuvieron 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 resultados el 8 de diciembre. 2017, en el diario Avances de la ciencia .

Su investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias, y el Laboratorio Nacional Argonne.

Del ADN falso a los lubricantes

La posible recompensa futura del trabajo de los investigadores abarca desde los materiales industriales hasta la medicina.

Por ejemplo, Los cepillos de polielectrolito sirven para superficies que tienen su propia lubricación incorporada. "Si coloca los cepillos en superficies opuestas, y las cerdas se frotan unas contra otras, entonces tienen una fricción realmente baja y excelentes propiedades de lubricación, "dijo Blair Brettmann, quien dirigió el estudio y recientemente se unió a Georgia Tech de la Universidad de Chicago.

Los cepillos de polielectrolito también podrían algún día encontrar aplicaciones médicas. Se ha demostrado que sus cerdas simulan el ADN y codifican proteínas simples. Se podrían diseñar otros cepillos 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 polielectrolito pueden hacer muchas cosas diferentes porque pueden diseñarse en muchas variaciones.

"Cuando construyes los pinceles, tienes mucho control, "dijo Brettmann, quien es profesor asistente en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Puede controlar en la nanoescala qué tan separadas están las cadenas de polímero (las cerdas) en el sustrato y qué tan largas son".

Son intrincados y sensibles

Por todo su gran potencial, Los cepillos de polielectrolito también son complejos y sensibles, y se necesita mucha investigación para comprender cómo optimizarlos.

Las cadenas de polímero tienen iónico positivo y negativo, o electrolítico, cargas alternando a lo largo de sus longitudes, de ahí el nombre "polielectrolito". Los químicos pueden unir los polímeros usando varios componentes químicos, o monómeros, y diseñar patrones de carga matizados hacia arriba y hacia abajo de la cadena.

Hay más complejidad:el respaldo y las cerdas no son todo lo que componen los cepillos de polielectrolito. Están bañados en soluciones que contienen electrolitos suaves, que crean un tirón iónico equilibrado desde todos los lados que apuntala las cerdas hacia arriba en lugar de dejar que se colapsen o se enreden.

"A menudo, estas mezclas contienen muchas otras cosas, por lo que la complejidad de esto hace que sea realmente difícil de entender fundamentalmente, "Brettmann dijo, "y, por lo tanto, es difícil poder predecir el comportamiento en aplicaciones reales".

Invasión de impurezas

Cuando entran otros productos químicos en estos sistemas bien equilibrados que componen los cepillos de polielectrolito, 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 baja del electrolito de itrio hicieron que las cerdas del polímero se enroscaran como masas de espaguetis pegajosos.

Luego, los investigadores aumentaron la concentración de iones más suaves, que restauró el apoyo, apuntalando las cerdas hacia arriba. Las imágenes del 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 sobre el colapso y la recuperación aún más. La capacidad de construir una simulación tan precisa refleja la fuerte consistencia de la química, lo cual es una buena noticia para futuras investigaciones potenciales y aplicaciones prácticas.

Inútil se vuelve útil

Por toda la disfunción que puede causar el colapso de las cerdas, la capacidad de colapsarlos a propósito puede ser útil. "Si pudieras colapsar y reactivar las cerdas de forma sistemática, podría ajustar el grado de lubricación, por ejemplo, o encender y apagar la lubricación, ", Dijo Brettmann.

Los cepillos también podrían regular las reacciones químicas que involucran micro y nanopartículas al extender y colapsar las cerdas.

"Los recubrimientos y películas a menudo se fabrican combinando cuidadosamente partículas diseñadas, y puede usar estos cepillos para mantener estas partículas suspendidas y separadas hasta que esté listo para dejar que se encuentren, vínculo, y formar el producto, ", Dijo Brettmann.

Cuando se extienden las cerdas del cepillo de polielectrolito, actúan como una barrera para mantener las partículas separadas. Colapsa las cerdas del camino a propósito, y las partículas pueden unirse.

Es un mundo desagradable

Los experimentos se realizaron con muy limpio, robusto, y compuestos uniformes a diferencia del revoltijo de productos químicos que pueden existir en sistemas naturales o incluso industriales.

"Las cerdas que usamos eran sulfonato de poliestireno, que es un polielectrolito muy fuerte, no sensible al pH ni mucho más, ", Dijo Brettmann." Biopolímeros como polisacáridos, por ejemplo, son mucho más sensibles ".

Como muchos experimentos, éste fue una desviación de las condiciones del mundo real. Pero al crear una base para comprender cómo funcionan estos sistemas, Brettmann quiere eventualmente poder pasar a escenarios sensibles para aprovechar más el potencial práctico de los cepillos de polielectrolito.