Los científicos rusos han propuesto una teoría de transformación de fase en geles poliméricos. Explica los mecanismos de la drástica reducción del volumen de los hidrogeles de ion híbrido cuando se enfrían. Los resultados se publican en la revista Comunicaciones químicas ( ChemComm ).

Los geles poliméricos tienen propiedades inusuales, incluida la capacidad de absorber agua en volúmenes cientos de veces mayores que los suyos. Por ejemplo, algunos hidrogeles son capaces de contener hasta dos kilogramos de agua por gramo de gel seco. Cambiando la temperatura o agregando solventes, se pueden lograr varias propiedades deseadas. Es por eso que los geles poliméricos se utilizan en la industria y la biomedicina, incluso para la entrega selectiva de medicamentos, creación de piel artificial, juguetes infantiles, etc.

Si toma un gel que contiene un alto volumen de disolvente y baja gradualmente su temperatura, cuando se alcanza un cierto umbral de temperatura, habrá una fuerte disminución en el volumen del gel y se exprimirá una gran cantidad de líquido; el gel colapsará (contraerá).

La teoría del colapso del gel fue propuesta por primera vez por los físicos y químicos estadounidenses Paul Flory y John Rehner, Jr. en 1943 y posteriormente desarrollado por el científico japonés Tsuyoshi Tanaka. Un defecto de la teoría clásica es que no tiene en cuenta las peculiaridades de la estructura molecular de los enlaces poliméricos.

La nueva teoría fue propuesta por un equipo de científicos rusos formado por Yury Budkov, Profesor en MIEM HSE (HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics), Nikolai Kalikin, un doctorado estudiante en el Instituto Krestov de Química de Soluciones de la Academia de Ciencias de Rusia, y Andrei Kolesnikov, investigador del Instituto de Química No Clásica de Leipzig. Los investigadores desarrollaron una teoría microscópica del gel polimérico, cada eslabón lleva un dipolo eléctrico:dos cargas eléctricas iguales en magnitud, pero de signo opuesto.

Esta estructura molecular se encuentra más comúnmente en polímeros de ion híbrido, cuyas unidades llevan grupos iónicos cargados tanto positiva como negativamente.

Los autores han demostrado que a temperaturas suficientemente bajas es la interacción electrostática de las unidades de polímero lo que conduce al colapso del gel. También nombraron los principales parámetros que influyen en la temperatura de transición del estado expandido al contraído:el valor del momento dipolar (el producto de la carga por longitud del dipolo) y la relación entre la longitud del enlace entre los eslabones adyacentes de la cadena del polímero y la longitud del dipolo.

El último resultado es un avance significativo en la teoría del gel en comparación con la teoría clásica de Flory-Rehner-Tanaka, que no tiene en cuenta la estructura molecular específica de los enlaces poliméricos.

"En la práctica, no podemos controlar las propiedades moleculares de los enlaces poliméricos, pero gracias a nuestra teoría los químicos podrán crear polímeros con propiedades adecuadas de antemano y controlar la temperatura de colapso, "comenta Yury Budkov, profesor en MIEM HSE.

Los científicos señalan que las evaluaciones teóricas realizadas serán útiles en aplicaciones modernas de geles zwitteriónicos, como superabsorbentes, nanoreactores moleculares, revestimientos antibacterianos, membranas eléctricamente conductoras para fuentes de corriente química, piel artificial, músculos artificiales y otros.

Todos los años, los ChemComm El consejo editorial selecciona a investigadores jóvenes de todo el mundo que trabajan en diferentes áreas de la química y los invita a publicar en un número especial de Investigadores emergentes. Este año, Yury Budkov fue uno de los jóvenes científicos invitados en el campo de la Química Teórica y Física.