Dr. Lester Barnsley, científico de instrumentos en Forschungszentrum Juelich, en el sistema de dispersión de neutrones de ángulo pequeño KWS-1 del Heinz Maier-Leibnitz Zentrum en la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) en la Universidad Técnica de Munich, donde se investigaron los polímeros de cepillo de botella. Crédito:Wenzel Schuermann / TUM
Parecen cepillos de botella microscópicos:polímeros con columna vertebral y mechones de brazos laterales. Este diseño molecular les da habilidades inusuales:por ejemplo, pueden unir agentes activos y liberarlos nuevamente cuando cambia la temperatura. Con la ayuda de neutrones, un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha logrado revelar los cambios en la estructura interna en el curso del proceso.
"La estructura de los polímeros de cepillo de botella, que son solo nanómetros de tamaño, no se puede investigar utilizando métodos ópticos clásicos:se puede ver que una solución acuosa que contiene estos polímeros se vuelve turbia a una determinada temperatura. Pero, ¿por qué este es el caso? y cómo la columna vertebral y los brazos laterales se estiran o se contraen en el agua, aún no ha sido aclarado, "informa la profesora Christine Papadakis.
Hay una razón simple por la que a los científicos les gustaría saber más sobre la vida interna de los polímeros de cepillo de botella:las moléculas esponjosas, que constan de diferentes cadenas de polímeros y cambian abruptamente su solubilidad en agua a una determinada temperatura, son candidatos prometedores para una variedad de aplicaciones.
Por ejemplo, podrían usarse como catalizadores para acelerar reacciones químicas, como conmutadores moleculares para abrir o cerrar válvulas diminutas, o como medio de transporte para medicamentos:los cepillos moleculares podrían llevar los productos farmacéuticos a un centro de inflamación y, porque la temperatura allí es elevada, libérelos directamente en el sitio de acción.
Sin embargo, El prerrequisito básico para usar las moléculas de cepillo es que su comportamiento pueda ser programado:Teóricamente, Los químicos pueden usar una combinación de bloques de construcción solubles en agua e insolubles en agua para determinar con precisión a qué temperatura se aglutinan los polímeros y el líquido en el que se disolvieron se vuelve turbio. "En la práctica, sin embargo, debe saber exactamente cómo y bajo qué condiciones cambia la estructura de los polímeros si desea diseñar moléculas de cepillo inteligentes, "explica Papadakis.
Los neutrones revelan su vida interior molecular
Junto con su equipo en el Grupo de Física de Materias Blandas de la Universidad Técnica de Munich, ahora ha podido visualizar por primera vez los cambios que experimentan los polímeros de cepillo de botella con brazos hechos de dos tipos diferentes de bloques de construcción cuando la temperatura alcanza el punto de enturbiamiento.
Al calentar los cepillos moleculares termorresponsables con cadenas laterales de copolímero de óxido de propileno / óxido de etileno en solución acuosa se separan las moléculas de agua. Dependiendo de la estructura del polímero, la estructura molecular colapsa en el punto de enturbiamiento, dando como resultado bobinas de polímero insolubles en agua, que forman racimos sueltos o compactos dependiendo del contenido de agua residual. Crédito:Reiner Mueller / TUM
Los científicos utilizaron radiación de neutrones de la fuente de investigación de neutrones Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) en el campus Garching en un instrumento especial para la dispersión de neutrones de ángulo pequeño. que es operado por el Forschungszentrum Jülich
Este método es particularmente adecuado para la investigación porque los neutrones son eléctricamente neutros y, por lo tanto, penetran la materia fácilmente. Allí están esparcidos por los núcleos atómicos, lo que da como resultado información detallada sobre las moléculas del cepillo. En combinación con la microscopía crioelectrónica moderna, Se podría obtener una comprensión detallada de estas moléculas.
Cuando los cepillos se agrupan
Las moléculas de cepillo termosensibles estudiadas por el equipo de Papadakis fueron sintetizadas por químicos de la National Hellenic Research Foundation en Grecia y la Technische Universität Dresden. respectivamente.
En el primer paso las muestras se disolvieron en agua, luego se calienta gradualmente hasta el punto de enturbiamiento y se irradia con neutrones. Un detector monitoreó la radiación dispersa. De la señal de dispersión, los investigadores pudieron deducir los cambios estructurales.
Dependiendo de la estructura de los polímeros, las moléculas de agua se escindieron ya antes de que se alcanzara el punto de enturbiamiento. En el propio punto de nube, la estructura molecular de los polímeros colapsó. Lo que quedaba eran bobinas de polímero insolubles en agua, que formaron racimos sueltos o compactos dependiendo del contenido de agua residual.
"Los resultados ayudarán a desarrollar polímeros de cepillo de botella adecuados para un uso práctico, "el físico está convencido". Si sabe exactamente cómo cambian los polímeros en el punto de enturbiamiento, puede optimizar su estructura química para diferentes aplicaciones ".
