پلیمرها و ژل‌های محرک‌پذیر

پلیمرهای محرک‌پذیر در پاسخ به دما، pH، نور یا سایر محرک‌ها، تغییرات بزرگ و اغلب ناگهانی در حلالیت، تورم یا شکل خود نشان می‌دهند و به عنوان ژل‌های شبکه‌ای، متورم و منقبض می‌شوند تا به عنوان مواد هوشمند و عملگر عمل کنند.

Definition

پلیمرهای محرک‌پذیر، پلیمرهایی هستند که حالت فیزیکی آن‌ها — حلالیت، کنفورماسیون، بار یا تورم — در پاسخ به یک محرک محیطی به شدت تغییر می‌کند، و ژل‌های محرک‌پذیر، شبکه‌های شبکه‌ای از چنین پلیمرهایی هستند که با تغییر محرک، متورم یا منقبض می‌شوند.

Scope

این موضوع پلیمرها و هیدروژل‌هایی را پوشش می‌دهد که برای پاسخ به محرک‌های خارجی مهندسی شده‌اند: پلیمرهای حساس به دما با دمای بحرانی محلول پایین‌تر مانند پلی(N-ایزوپروپیل‌آکریل‌آمید)، پلی‌الکترولیت‌های حساس به pH، و سیستم‌های حساس به نور یا ردوکس. این شامل ترمودینامیک تورم ژل‌های شبکه‌ای، گذارهای فاز حجمی، و طراحی مولکولی است که یک تغییر محیطی را به پاسخ مکانیکی یا حلالیت تبدیل می‌کند.

Core questions

• چه ویژگی‌های مولکولی باعث می‌شود یک پلیمر به دما، pH یا نور پاسخ دهد؟
• چرا برخی پلیمرها در اثر حرارت در دمای بحرانی محلول پایین‌تر رسوب می‌کنند؟
• چگونه یک ژل شبکه‌ای متورم می‌شود و گذارهای فاز حجمی را تجربه می‌کند؟
• چگونه از این پاسخ‌ها برای عملگر و تحویل استفاده می‌شود؟

Key theories

رفتار دمای بحرانی محلول پایین‌تر

برخی پلیمرها در حالت سرد محلول هستند اما در اثر حرارت فاز-جدا می‌شوند زیرا آنتروپی مرتبط با هیدراتاسیون، جداسازی فاز را بالاتر از یک دمای بحرانی ترجیح می‌دهد و یک گذار تیز و برگشت‌پذیر از کلاف به گلوبول ایجاد می‌کند که در مواد حساس به دما مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد.

تورم ژل و گذار فاز حجمی

یک شبکه شبکه‌ای تا زمانی متورم می‌شود که نیروی اسمزی برای اختلاط با حلال، انقباض الاستیک زنجیره‌ها را متعادل کند؛ تغییر محرک این تعادل را جابجا می‌کند و می‌تواند یک تغییر ناپیوسته و بزرگ در حجم ژل ایجاد کند.

Mechanisms

رفتار پاسخگو از گروه‌هایی ناشی می‌شود که برهم‌کنش آن‌ها با حلال به شرایط بستگی دارد. در پلیمرهای حساس به دما، تعادل پیوند هیدروژنی پلیمر-آب و آنتروپی هیدراتاسیون با دما تغییر می‌کند، بنابراین زنجیره منقبض می‌شود و پلیمر بالاتر از دمای بحرانی محلول پایین‌تر خود، فاز-جدا می‌شود. در پلی‌الکترولیت‌های حساس به pH، پروتون‌زدایی یا پروتون‌دهی بار را تغییر می‌دهد و دافعه الکترواستاتیکی و حلالیت را تغییر می‌دهد. در یک ژل شبکه‌ای، این تغییرات حلالیت به تغییرات حجمی تبدیل می‌شوند: شبکه زمانی که اختلاط مطلوب است متورم می‌شود و زمانی که مطلوب نیست منقبض می‌شود، گاهی اوقات به طور ناپیوسته در یک گذار فاز حجمی، یک سیگنال شیمیایی یا حرارتی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند.

Clinical relevance

پلیمرها و ژل‌های محرک‌پذیر مواد هوشمند را ممکن می‌سازند: حامل‌های دارورسانی فعال‌شده با دما یا pH، محموله خود را در یک محیط هدف آزاد می‌کنند، هیدروژل‌های پاسخگو به عنوان عملگرهای نرم، شیرها و حسگرها عمل می‌کنند، و سطوح قابل تعویض چسبندگی پروتئین و سلول را در کاربردهای زیست‌پزشکی و جداسازی کنترل می‌کنند. وضوح و برگشت‌پذیری پاسخ برای کاربرد آن‌ها حیاتی است.

History

فلوری پایه ترمودینامیکی تورم ژل را بنا نهاد، و نمایش تاناکا از گذارهای فاز حجمی ناپیوسته در ژل‌ها در اواخر دهه 1970، زمینه ژل‌های پاسخگو را گشود؛ پلیمرهای حساس به دما مانند پلی(N-ایزوپروپیل‌آکریل‌آمید) و سیستم‌های حساس به pH متعاقباً برای کاربردهای زیست‌پزشکی و مواد هوشمند توسعه یافتند.

Key figures

• Toyoichi Tanaka
• Allan Hoffman
• Pierre-Gilles de Gennes

Seminal works

• rubinstein2003
• flory1953

Frequently asked questions

چرا برخی پلیمرها در حالت سرد حل می‌شوند اما در اثر حرارت رسوب می‌کنند؟

این پلیمرها دارای دمای بحرانی محلول پایین‌تر هستند: در دمای پایین، پیوند هیدروژنی مطلوب با آب آن‌ها را حل نگه می‌دارد، اما در اثر حرارت، آنتروپی آزاد شدن مولکول‌های آب منظم، جداسازی فاز را ترجیح می‌دهد، بنابراین زنجیره‌ها منقبض شده و فاز-جدا می‌شوند.

چه چیزی باعث تورم یا انقباض یک هیدروژل می‌شود؟

تورم نشان‌دهنده تعادلی بین تمایل اسمزی شبکه برای اختلاط با حلال و مقاومت الاستیک زنجیره‌های شبکه‌ای آن است. محرکی که این تعادل را تغییر می‌دهد — دما، pH یا قدرت یونی — باعث می‌شود ژل حلال را جذب یا دفع کند، گاهی اوقات به طور ناگهانی.