พอลิเมอร์และเจลตอบสนองต่อสิ่งเร้า

พอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากและมักจะเกิดขึ้นอย่างฉับพลันในด้านความสามารถในการละลาย การบวม หรือรูปร่าง เพื่อตอบสนองต่ออุณหภูมิ ค่า pH แสง หรือสิ่งกระตุ้นอื่น ๆ และในรูปของเจลที่เชื่อมโยงกัน (crosslinked gels) เจลเหล่านี้จะบวมและยุบตัวลงเพื่อทำหน้าที่เป็นวัสดุอัจฉริยะที่สามารถทำงานได้เอง

Definition

พอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าคือพอลิเมอร์ที่มีสถานะทางกายภาพ—ความสามารถในการละลาย, การจัดเรียงตัว, ประจุ, หรือการบวม—เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าจากสิ่งแวดล้อม และเจลที่ตอบสนองคือเครือข่ายของพอลิเมอร์ดังกล่าวที่เชื่อมโยงกันซึ่งจะบวมหรือยุบตัวเมื่อสิ่งเร้าเปลี่ยนแปลงไป

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพอลิเมอร์และไฮโดรเจลที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก: พอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤตการละลายต่ำ (lower critical solution temperature) เช่น พอลิ(N-ไอโซโพรพิลอะคริลาไมด์) (poly(N-isopropylacrylamide)), พอลิอิเล็กโทรไลต์ที่ตอบสนองต่อค่า pH, และระบบที่ตอบสนองต่อแสงหรือปฏิกิริยารีดอกซ์ นอกจากนี้ยังรวมถึงอุณหพลศาสตร์ของการบวมตัวของเจลที่เชื่อมโยงกัน การเปลี่ยนเฟสของปริมาตร และการออกแบบระดับโมเลกุลที่เปลี่ยนการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมให้เป็นการตอบสนองทางกลไกหรือความสามารถในการละลาย

Core questions

• คุณสมบัติระดับโมเลกุลใดที่ทำให้พอลิเมอร์ตอบสนองต่ออุณหภูมิ ค่า pH หรือแสง?
• เหตุใดพอลิเมอร์บางชนิดจึงตกตะกอนเมื่อได้รับความร้อนที่อุณหภูมิวิกฤตการละลายต่ำ?
• เจลที่เชื่อมโยงกันบวมและเกิดการเปลี่ยนเฟสของปริมาตรได้อย่างไร?
• การตอบสนองเหล่านี้ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในการกระตุ้นและการนำส่งได้อย่างไร?

Key theories

พฤติกรรมอุณหภูมิวิกฤตการละลายต่ำ

พอลิเมอร์บางชนิดสามารถละลายได้เมื่อเย็น แต่จะแยกเฟสเมื่อได้รับความร้อน เนื่องจากเอนโทรปีที่เกี่ยวข้องกับการไฮเดรชันจะส่งเสริมการแยกตัวเมื่ออุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต ทำให้เกิดการเปลี่ยนผ่านจากขดเป็นก้อนที่คมชัดและย้อนกลับได้ ซึ่งถูกนำไปใช้ประโยชน์ในวัสดุที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิ

การบวมตัวของเจลและการเปลี่ยนเฟสของปริมาตร

เครือข่ายที่เชื่อมโยงกันจะบวมตัวจนกระทั่งแรงขับออสโมติกในการผสมกับตัวทำละลายสมดุลกับการหดตัวแบบยืดหยุ่นของสายโซ่; การเปลี่ยนสิ่งเร้าจะทำให้สมดุลนี้เปลี่ยนไปและอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของเจลอย่างไม่ต่อเนื่องและมีขนาดใหญ่ได้

Mechanisms

พฤติกรรมการตอบสนองเกิดจากหมู่ฟังก์ชันที่มีปฏิสัมพันธ์กับตัวทำละลายขึ้นอยู่กับสภาวะ ในพอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิ ความสมดุลระหว่างพันธะไฮโดรเจนของพอลิเมอร์กับน้ำและเอนโทรปีของการไฮเดรชันจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ ดังนั้นสายโซ่พอลิเมอร์จะยุบตัวและพอลิเมอร์จะแยกเฟสเมื่ออุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตการละลายต่ำ ในพอลิอิเล็กโทรไลต์ที่ตอบสนองต่อค่า pH การโปรโตเนชันหรือดีโปรโตเนชันจะเปลี่ยนประจุ ซึ่งส่งผลต่อแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตและความสามารถในการละลาย ในเจลที่เชื่อมโยงกัน การเปลี่ยนแปลงความสามารถในการละลายเหล่านี้จะกลายเป็นการเปลี่ยนแปลงปริมาตร: เครือข่ายจะบวมเมื่อการผสมเป็นไปได้ด้วยดีและยุบตัวเมื่อไม่เป็นเช่นนั้น บางครั้งอาจเกิดขึ้นอย่างไม่ต่อเนื่องที่การเปลี่ยนเฟสของปริมาตร ซึ่งเป็นการเปลี่ยนสัญญาณทางเคมีหรือความร้อนให้เป็นการเคลื่อนที่ทางกลไก

Clinical relevance

พอลิเมอร์และเจลที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าช่วยให้เกิดวัสดุอัจฉริยะ: ตัวนำส่งยาที่กระตุ้นด้วยอุณหภูมิหรือค่า pH จะปล่อยสารออกฤทธิ์ในสภาพแวดล้อมเป้าหมาย, ไฮโดรเจลที่ตอบสนองทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นที่อ่อนนุ่ม, วาล์ว, และเซ็นเซอร์, และพื้นผิวที่สามารถสลับได้จะควบคุมการยึดเกาะของโปรตีนและเซลล์ในการใช้งานทางชีวการแพทย์และการแยกสาร ความคมชัดและการย้อนกลับได้ของการตอบสนองเป็นหัวใจสำคัญของประโยชน์ใช้สอยของวัสดุเหล่านี้

History

ฟลอรีได้วางรากฐานทางอุณหพลศาสตร์สำหรับการบวมตัวของเจล และการสาธิตของทานากะเกี่ยวกับการเปลี่ยนเฟสของปริมาตรที่ไม่ต่อเนื่องในเจลในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ได้เปิดสาขาของเจลที่ตอบสนอง; พอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิ เช่น พอลิ(N-ไอโซโพรพิลอะคริลาไมด์) และระบบที่ตอบสนองต่อค่า pH ได้รับการพัฒนาต่อมาสำหรับการใช้งานทางชีวการแพทย์และวัสดุอัจฉริยะ

Key figures

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

Seminal works

• rubinstein2003
• flory1953

Frequently asked questions

เหตุใดพอลิเมอร์บางชนิดจึงละลายเมื่อเย็นแต่ตกตะกอนเมื่อได้รับความร้อน?

พอลิเมอร์เหล่านี้มีอุณหภูมิวิกฤตการละลายต่ำ: ที่อุณหภูมิต่ำ พันธะไฮโดรเจนที่เหมาะสมกับน้ำจะช่วยให้พอลิเมอร์ละลายอยู่ได้ แต่เมื่อได้รับความร้อน เอนโทรปีของการปล่อยโมเลกุลน้ำที่จัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบจะส่งเสริมการแยกตัว ดังนั้นสายโซ่จึงยุบตัวและแยกเฟส

อะไรทำให้ไฮโดรเจลบวมหรือหดตัว?

การบวมสะท้อนถึงความสมดุลระหว่างแนวโน้มออสโมติกของเครือข่ายที่จะผสมกับตัวทำละลายและแรงต้านทานแบบยืดหยุ่นของสายโซ่ที่เชื่อมโยงกัน สิ่งเร้าที่เปลี่ยนสมดุลนั้น—อุณหภูมิ, ค่า pH, หรือความเข้มข้นของไอออน—จะทำให้เจลดูดซับหรือขับไล่ตัวทำละลายออกไป บางครั้งก็เกิดขึ้นอย่างฉับพลัน