Uyaranlara Duyarlı Polimerler ve Jeller
Uyaranlara duyarlı polimerler, sıcaklık, pH, ışık veya diğer tetikleyicilere yanıt olarak çözünürlük, şişme veya şekilde büyük, genellikle ani değişiklikler göstermektedir; çapraz bağlı jeller olarak ise akıllı, aktüatör malzemeler gibi davranmak üzere şişmekte ve çökmektedirler.
Tanım
Uyaranlara duyarlı polimerler, fiziksel durumları — çözünürlük, konformasyon, yük veya şişme — çevresel bir uyarana yanıt olarak keskin bir şekilde değişen polimerlerdir; duyarlı jeller ise bu tür polimerlerin, uyaran değiştikçe şişen veya çöken çapraz bağlı ağlarıdır.
Kapsam
Bu konu, dış uyaranlara yanıt vermek üzere tasarlanmış polimerleri ve hidrojelleri kapsamaktadır: poli(N-izopropilakrilamid) gibi alt kritik çözelti sıcaklığına sahip termoduyarlı polimerler, pH'a duyarlı polielektrolitler ve ışığa veya redoksa duyarlı sistemler. Ayrıca, çapraz bağlı jellerin şişme termodinamiği, hacim faz geçişleri ve çevresel bir değişimi mekanik veya çözünürlük tepkisine dönüştüren moleküler tasarımı da içermektedir.
Temel sorular
- Bir polimeri sıcaklığa, pH'a veya ışığa duyarlı hale getiren moleküler özellikler nelerdir?
- Bazı polimerler neden alt kritik çözelti sıcaklığında ısıtıldığında çökelmektedir?
- Çapraz bağlı bir jel nasıl şişer ve hacim faz geçişleri geçirir?
- Bu tepkiler aktüasyon ve salım için nasıl kullanılmaktadır?
Temel kuramlar
- Alt kritik çözelti sıcaklığı davranışı
- Bazı polimerler soğukken çözünürken, ısıtıldığında faz ayrışması göstermektedir; çünkü hidrasyonla ilişkili entropi, kritik bir sıcaklığın üzerinde karışımın bozulmasını desteklemekte ve termoduyarlı malzemelerde kullanılan keskin, tersine çevrilebilir bir sarmal-küresel geçişe yol açmaktadır.
- Jel şişmesi ve hacim faz geçişi
- Çapraz bağlı bir ağ, çözücü ile karışmaya yönelik ozmotik itici güç ile zincirlerin elastik geri çekilmesinin dengelenmesine kadar şişmektedir; uyaranın değiştirilmesi bu dengeyi kaydırmakta ve jel hacminde kesintili, büyük bir değişikliğe neden olabilmektedir.
Mekanizmalar
Duyarlı davranış, çözücü ile etkileşimi koşullara bağlı olan gruplardan kaynaklanmaktadır. Termoduyarlı polimerlerde, polimer-su hidrojen bağının dengesi ve hidrasyon entropisi sıcaklıkla birlikte değişmekte, böylece zincir çökmekte ve polimer, alt kritik çözelti sıcaklığının üzerinde faz ayrışması göstermektedir. pH'a duyarlı polielektrolitlerde, protonasyon veya deprotonasyon yükü değiştirerek elektrostatik itmeyi ve çözünürlüğü etkilemektedir. Çapraz bağlı bir jelde bu çözünürlük değişiklikleri hacim değişikliklerine dönüşmektedir: ağ, karışım elverişli olduğunda şişmekte ve elverişli olmadığında çökmektedir; bu durum bazen bir hacim faz geçişinde kesintili olarak gerçekleşmekte ve kimyasal veya termal bir sinyali mekanik harekete dönüştürmektedir.
Klinik önem
Uyaranlara duyarlı polimerler ve jeller, akıllı malzemelerin geliştirilmesini sağlamaktadır: sıcaklık veya pH ile tetiklenen ilaç salım taşıyıcıları, yüklerini hedef ortamda serbest bırakmakta; duyarlı hidrojeller yumuşak aktüatörler, valfler ve sensörler olarak hizmet vermekte; anahtarlanabilir yüzeyler ise biyomedikal ve ayırma uygulamalarında protein ve hücre adezyonunu kontrol etmektedir. Tepkinin keskinliği ve tersine çevrilebilirliği, bu malzemelerin kullanışlılığı açısından merkezi bir öneme sahiptir.
Tarihçe
Flory, jel şişmesi için termodinamik temeli atmış, Tanaka'nın 1970'lerin sonlarında jellerdeki kesintili hacim faz geçişlerini göstermesi ise duyarlı jeller alanını açmıştır; poli(N-izopropilakrilamid) gibi termoduyarlı polimerler ve pH'a duyarlı sistemler daha sonra biyomedikal ve akıllı malzeme uygulamaları için geliştirilmiştir.
Öne çıkan isimler
- Toyoichi Tanaka
- Allan Hoffman
- Pierre-Gilles de Gennes
İlgili konular
Temel eserler
- rubinstein2003
- flory1953
Sıkça sorulan sorular
- Bazı polimerler neden soğukken çözünürken, ısıtıldığında çökelmektedir?
- Bu polimerler alt kritik çözelti sıcaklığına sahiptir: düşük sıcaklıkta su ile elverişli hidrojen bağları onları çözünmüş halde tutarken, ısıtıldığında düzenli su moleküllerinin serbest bırakılmasının entropisi karışımın bozulmasını desteklemekte, böylece zincirler çökmekte ve faz ayrışması göstermektedir.
- Bir hidrojelin şişmesini veya büzülmesini sağlayan nedir?
- Şişme, ağın çözücü ile karışma eğilimi ile çapraz bağlı zincirlerinin elastik direnci arasındaki bir dengeyi yansıtmaktadır. Bu dengeyi değiştiren bir uyaran — sıcaklık, pH veya iyonik güç — jelin çözücüyü almasına veya dışarı atmasına, bazen de aniden, neden olmaktadır.