La Universidad de Newcastle y UNSW Sydney están utilizando técnicas avanzadas de dispersión de neutrones en ANSTO para llevar a cabo investigaciones sobre la estructura de polímeros en entornos salinos complejos que, en última instancia, proporcionarán una forma de predecir su comportamiento para aplicaciones del mundo real.

El tema de la investigación son los cepillos de polímero, Matrices densamente empaquetadas de cadenas de polímero que están atadas a superficies planas para su uso en productos de limpieza ecológicos, remediación ambiental, procesamiento de minerales, biotecnología, sensores, entrega de medicamentos, y membranas.

El comportamiento de muchas de estas aplicaciones está determinado en gran medida por la interfaz entre el polímero y el sustrato superficial y la nanoestructura del cepillo.

Un programa de investigación integrado de varios años, dirigido por el profesor Grant Webber y la profesora Erica Wanless en la Universidad de Newcastle, A / Prof Stuart Prescott en UNSW, y el Dr. Andrew Nelson de ANSTO, está examinando y caracterizando completamente el comportamiento intrincado y las propiedades de los cepillos de polímero en entornos complejos; electrolitos mixtos y soluciones no acuosas.

Están particularmente interesados ​​en polímeros que responden a estímulos. Por ejemplo, las cadenas de polímero son muy 'peludas' a bajas temperaturas pero a altas temperaturas, los cepillos colapsan sobre la superficie, con diferentes sales alterando la temperatura de colapso.

Las investigaciones pasadas y actuales se han basado en la reflectometría de neutrones, debido a su capacidad única para caracterizar la interfaz a nanoescala.

"Los experimentos que utilizaron el reflectómetro de neutrones Platypus y Spatz proporcionaron información in situ sobre los cambios estructurales en las moléculas de polímero en tiempo real, "dijo el científico de instrumentos Dr. Andrew Nelson.

"El desarrollo de entornos de muestra dedicados para los cepillos de polímero por A / Prof Prescott y software de análisis de datos por su reciente doctorado Isaac Gresham, significa que estamos muy bien preparados para estos experimentos, "dijo Nelson.

Nelson dijo que "los reflectómetros de neutrones de ANSTO son adecuados para estudiar reacciones cinéticas rápidas, y ANSTO tiene un software líder en el mundo para adquirir y analizar los datos ".

El equipo de investigación integrado ha publicado once artículos en revistas, incluido un estudio reciente sobre las respuestas de los polímeros al confinamiento en respuesta a la temperatura de Isaac Gresham et al. en Macromoléculas y un estudio relacionado sobre respuestas de polímeros en presencia de electrolitos mixtos por Hayden Robertson et al. en el Journal of Colloid and Interface Science.

Robertson, un doctorado candidato en la Universidad de Newcastle, Recientemente recibió la Beca de Polímeros Ezio Rizzardo de la Academia Australiana de Tecnología e Ingeniería (ATSE) por su investigación sobre cómo mejorar la comprensión de los polímeros que responden a estímulos para crear interfaces inteligentes con propiedades ajustables.

"Lo importante de su comportamiento es si las moléculas similares a las algas que están adheridas a una superficie se colapsan o se expanden en presencia de diferentes sales o disolventes, "dijo Robertson.

"El comportamiento de estos cepillos de polímero en el agua es bastante conocido, pero lo que nos interesa son las interacciones entre los polímeros en presencia de diferentes iones, una mezcla de iones o en diferentes disolventes, como el carbonato de propileno, "añadió.

"En la naturaleza y en entornos industriales, nunca tendrás solo agua, será una combinación de muchos iones y disolventes diferentes. Estamos tratando de comprender las innumerables interacciones que surgen en entornos complejos ".

Aunque la comprensión de los efectos de los iones específicos se remonta al trabajo de Franz Hofmeister a finales del siglo XIX, que descubrió que había un orden específico en la capacidad de un ion para precipitar proteínas de clara de huevo en solución, conocida como la serie Hofmeister, no explicaba el comportamiento de forma diferente, sistemas más complejos.

"No tenemos una teoría universal para predecir cómo estos polímeros responderán a diferentes entornos químicos. Se requiere tal teoría predictiva para avanzar hacia las aplicaciones".

Robertson y asociados seguirán investigando con más experimentos sobre Ornitorrinco y Spatz y otras técnicas, como elipsometría. Los datos experimentales recopilados en Platypus se están utilizando para informar modelos computacionales, con el objetivo de establecer un modelo predictivo del comportamiento de los cepillos de polímero en entornos complejos.

"Nuestro objetivo es comprender mejor cómo diseñar superficies y las interacciones moleculares que se producen en ellas, "dijo Prescott.

El equipo está trabajando con socios de la industria para utilizar este conocimiento en el desarrollo de agentes de limpieza respetuosos con el medio ambiente para productos domésticos / de cuidado personal. y aditivos de procesamiento de minerales más eficientes en agua para la industria minera australiana.