उद्दीपन-प्रतिक्रियाशील पॉलिमर और जैल

उद्दीपन-प्रतिक्रियाशील पॉलिमर तापमान, पीएच (pH), प्रकाश या अन्य उत्प्रेरकों के जवाब में घुलनशीलता, सूजन या आकार में बड़े, अक्सर अचानक परिवर्तन से गुजरते हैं, और क्रॉसलिंक्ड जैल के रूप में वे स्मार्ट, सक्रिय सामग्री के रूप में कार्य करने के लिए फूलते और सिकुड़ते हैं।

Definition

उद्दीपन-प्रतिक्रियाशील पॉलिमर ऐसे पॉलिमर होते हैं जिनकी भौतिक अवस्था—घुलनशीलता, संरूपण, आवेश, या सूजन—पर्यावरणीय उद्दीपन के जवाब में तेज़ी से बदल जाती है, और प्रतिक्रियाशील जैल ऐसे पॉलिमर के क्रॉसलिंक्ड नेटवर्क होते हैं जो उद्दीपन बदलने पर फूलते या सिकुड़ते हैं।

Scope

यह विषय बाहरी उद्दीपनों के प्रति प्रतिक्रिया करने के लिए इंजीनियर किए गए पॉलिमर और हाइड्रोजेल को शामिल करता है: पॉली(एन-आइसोप्रोपाइलएक्रिलामाइड) जैसे निम्न क्रांतिक विलयन तापमान वाले थर्मोरेस्पॉन्सिव पॉलिमर, पीएच-प्रतिक्रियाशील पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स, और प्रकाश- या रेडॉक्स-प्रतिक्रियाशील प्रणालियाँ। इसमें क्रॉसलिंक्ड जैल की सूजन ऊष्मागतिकी, आयतन प्रावस्था संक्रमण, और आणविक डिज़ाइन शामिल है जो पर्यावरणीय परिवर्तन को यांत्रिक या घुलनशीलता प्रतिक्रिया में परिवर्तित करता है।

Core questions

• कौन सी आणविक विशेषताएँ एक पॉलिमर को तापमान, पीएच (pH) या प्रकाश के प्रति प्रतिक्रियाशील बनाती हैं?
• कुछ पॉलिमर निम्न क्रांतिक विलयन तापमान पर गर्म करने पर क्यों अवक्षेपित होते हैं?
• एक क्रॉसलिंक्ड जेल कैसे फूलता है और आयतन प्रावस्था संक्रमण से गुजरता है?
• इन प्रतिक्रियाओं का उपयोग सक्रियण और वितरण के लिए कैसे किया जाता है?

Key theories

निम्न क्रांतिक विलयन तापमान व्यवहार

कुछ पॉलिमर ठंडे होने पर घुलनशील होते हैं लेकिन गर्म करने पर प्रावस्था-पृथक हो जाते हैं क्योंकि जलयोजन-संबंधी एन्ट्रापी एक क्रांतिक तापमान से ऊपर विमिश्रण का पक्ष लेती है, जिससे एक तीव्र, प्रतिवर्ती कॉइल-टू-ग्लोब्यूल संक्रमण होता है जिसका थर्मोरेस्पॉन्सिव सामग्री में उपयोग किया जाता है।

जेल सूजन और आयतन प्रावस्था संक्रमण

एक क्रॉसलिंक्ड नेटवर्क तब तक फूलता है जब तक विलायक के साथ मिश्रण करने की परासरणी प्रवृत्ति श्रृंखलाओं के प्रत्यास्थ संकुचन को संतुलित नहीं कर लेती; उद्दीपन को बदलने से यह संतुलन बदल जाता है और जेल के आयतन में एक असंतुलित, बड़ा परिवर्तन हो सकता है।

Mechanisms

प्रतिक्रियाशील व्यवहार उन समूहों से उत्पन्न होता है जिनकी विलायक के साथ परस्पर क्रिया स्थितियों पर निर्भर करती है। थर्मोरेस्पॉन्सिव पॉलिमर में, पॉलिमर-जल हाइड्रोजन बंधन का संतुलन और जलयोजन की एन्ट्रापी तापमान के साथ बदल जाती है, इसलिए श्रृंखला सिकुड़ जाती है और पॉलिमर अपने निम्न क्रांतिक विलयन तापमान से ऊपर प्रावस्था-पृथक हो जाता है। पीएच-प्रतिक्रियाशील पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स में, प्रोटोनेशन या डीप्रोटोनेशन आवेश को बदल देता है, जिससे इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण और घुलनशीलता बदल जाती है। एक क्रॉसलिंक्ड जेल में ये घुलनशीलता परिवर्तन आयतन परिवर्तन बन जाते हैं: जब मिश्रण अनुकूल होता है तो नेटवर्क फूल जाता है और जब ऐसा नहीं होता है तो सिकुड़ जाता है, कभी-कभी आयतन प्रावस्था संक्रमण पर असंतुलित रूप से, एक रासायनिक या तापीय संकेत को यांत्रिक गति में परिवर्तित करता है।

Clinical relevance

उद्दीपन-प्रतिक्रियाशील पॉलिमर और जैल स्मार्ट सामग्री को सक्षम करते हैं: तापमान- या पीएच-ट्रिगर दवा-वितरण वाहक लक्षित वातावरण में अपना पेलोड छोड़ते हैं, प्रतिक्रियाशील हाइड्रोजेल नरम एक्चुएटर, वाल्व और सेंसर के रूप में कार्य करते हैं, और स्विच करने योग्य सतहें बायोमेडिकल और पृथक्करण अनुप्रयोगों में प्रोटीन और कोशिका आसंजन को नियंत्रित करती हैं। प्रतिक्रिया की तीक्ष्णता और प्रतिवर्तीता उनकी उपयोगिता के लिए केंद्रीय हैं।

History

फ्लोरी ने जेल सूजन के लिए ऊष्मागतिक आधार रखा, और 1970 के दशक के अंत में जैल में असंतुलित आयतन प्रावस्था संक्रमणों के तनाका के प्रदर्शन ने प्रतिक्रियाशील जैल के क्षेत्र को खोल दिया; पॉली(एन-आइसोप्रोपाइलएक्रिलामाइड) जैसे थर्मोरेस्पॉन्सिव पॉलिमर और पीएच-प्रतिक्रियाशील प्रणालियों को बाद में बायोमेडिकल और स्मार्ट-सामग्री अनुप्रयोगों के लिए विकसित किया गया।

Key figures

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

Seminal works

• rubinstein2003
• flory1953

Frequently asked questions

कुछ पॉलिमर ठंडे होने पर क्यों घुल जाते हैं लेकिन गर्म करने पर अवक्षेपित हो जाते हैं?

इन पॉलिमर का निम्न क्रांतिक विलयन तापमान होता है: कम तापमान पर पानी के साथ अनुकूल हाइड्रोजन बंधन उन्हें घुला हुआ रखता है, लेकिन गर्म करने पर व्यवस्थित जल अणुओं को मुक्त करने की एन्ट्रापी विमिश्रण का पक्ष लेती है, इसलिए श्रृंखलाएँ सिकुड़ जाती हैं और प्रावस्था-पृथक हो जाती हैं।

एक हाइड्रोजेल को क्या फुलाता या सिकोड़ता है?

सूजन नेटवर्क की विलायक के साथ मिश्रण करने की परासरणी प्रवृत्ति और उसकी क्रॉसलिंक्ड श्रृंखलाओं के प्रत्यास्थ प्रतिरोध के बीच संतुलन को दर्शाती है। एक उद्दीपन जो उस संतुलन को बदलता है—तापमान, पीएच (pH), या आयनिक शक्ति—जेल को विलायक को अवशोषित या निष्कासित करने के लिए प्रेरित करता है, कभी-कभी अचानक।