Suspensi Microgel Padat Mengungkap Apa Yang Terjadi Di Bawah Kompresi In-silico

Suspensi Microgel Padat Mengungkap Apa Yang Terjadi Di Bawah Kompresi In-silico


Newswise – Suspensi mikrogel yang terbuat dari partikel polimer berisi cairan mikroskopis menempati keadaan fisik yang aneh di suatu tempat antara cair dan padat, memberi mereka sifat unik dan potensi penggunaan dalam struktur penyembuhan diri, bahan aktif optik, mikroreaktor, sistem pengiriman obat, dan templat untuk meregenerasi struktur hidup seperti tulang dan otot.

Dengan menggunakan simulasi komputer berskala besar, para peneliti di Institut Teknologi Georgia kini telah memetakan perilaku dan mekanisme mengejutkan dari sistem pelarut partikel yang kompleks ini, mempelajari bagaimana partikel “lunak dan licin” berubah bentuk, membengkak, membengkak, dan menembus satu sama lain saat mereka menanggapi kompresi. Temuan ini dapat membantu memandu desain aplikasi berbasis mikrogel dengan sifat unik dan bermanfaat.

“Kami ingin memahami secara luas apa yang terjadi pada partikel-partikel ini jika Anda menyatukannya dan mulai memampatkannya,” kata Alexander Alexeev, profesor dan Rekan Fakultas Anderer di Sekolah Teknik Mesin George W. Woodruff di Georgia Tech. “Tidak seperti partikel kaku yang mengisi ruang yang tersedia dan kemudian berhenti mengompresi, partikel ini memiliki banyak proses yang dapat bekerja secara paralel di dalam suspensi. Microgels dapat berubah bentuk, menyusut, dan menembus satu sama lain. Kami menemukan bahwa proses ini memainkan peran yang berbeda-beda saat Anda meningkatkan kepadatan jumlah partikel dan cukup memampatkannya. “

Temuan penelitian ini dilaporkan 19 Oktober di jurnal Prosiding National Academy of Sciences. Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (NSF) dan MCIU / AEI / FEDER EU, dan simulasi memanfaatkan Lingkungan Penemuan Sains dan Teknik Ekstrim NSF.

Menggunakan simulasi komputer mesoscale, para peneliti mempelajari perilaku suspensi terkompresi yang terdiri dari microgels pengubah bentuk dengan arsitektur berbeda pada berbagai fraksi kemasan dan kondisi pelarut. Mereka menemukan bahwa di bawah kompresi, mikrogel “halus” – yang menyerupai spons mikroskopis dengan benang polimer yang memanjang darinya – berubah bentuk dan menyusut, dengan interpenetrasi terbatas di antara partikel.

“Anda dapat menggunakan kelembutannya dan fakta bahwa mereka berubah bentuk untuk mengemasnya lebih banyak lagi,” kata Alberto Fernandez-Nieves, Profesor ICREA di Departemen Fisika Benda Terkondensasi di Universitas Barcelona dan asisten profesor di Sekolah Fisika Georgia Tech. “Ada berbagai mekanisme untuk mengemasnya menjadi volume yang tersedia, dan mekanisme ini dapat memainkan peran yang berbeda tergantung pada situasinya. Sampai penelitian ini, kami tidak begitu tahu bagaimana mikrogel dapat dikemas bersama di luar pengepakan acak. “

Kemampuan mereka untuk melepaskan pelarut memungkinkan mikrogel menyusut dan berubah bentuk, tidak seperti partikel keras dalam suspensi koloid biasa. Selain itu, benang polimer memungkinkan mereka untuk saling menembus dan tumpang tindih untuk mengemas lebih banyak partikel ke dalam ruang tertentu. Ukuran partikel mikrogel berkisar dari 50 nanometer hingga diameter 10 mikron. Dalam simulasi mereka, Alexeev, Fernandez-Nieves, dan Ph.D. lulusan Svetoslav Nikolov mempelajari suspensi yang mengandung sekitar seratus partikel mikrogel.

“Kompresibilitasnya adalah bahan baru yang tidak ada dalam partikel lunak lainnya, dan dapat menghasilkan aspek menarik dan unik dari sistem mikrogel ini,” kata Fernandez-Nieves. “Studi ini memberi kami informasi yang kami butuhkan untuk memanfaatkan kelembutan ini untuk mencapai hal-hal yang tidak dapat kami lakukan sebaliknya.”

Simulasi memberikan informasi tentang pengaruh variabel seperti jenis pelarut dan tingkat kompresi pada sifat mekanik mikrogel dalam suspensi.

“Jika Anda melihat sifat mekanis suspensi dalam pelarut yang berbeda, Anda akan melihat kurva yang sangat berbeda,” kata Alexeev. “Jika bengkak, mereka mengembang dan bisa bergerak dalam suspensi. Jika mengeluarkan pelarut, mereka bisa menjadi hampir kering, sehingga sifat mekaniknya bisa berubah secara dramatis. Apa yang kami temukan mengejutkan dan sama sekali tidak seperti yang diharapkan orang. “

Di antara temuan fundamental utama adalah bahwa sifat mekanik suspensi dapat diukur dalam bentuk modulus curah mikrogel tunggal. “Ini adalah bagaimana partikel-partikel ini mengompres yang menentukan sifat material dari seluruh suspensi ketika terkonsentrasi secara memadai,” kata Fernandez-Nieves.

“Anda dapat memiliki banyak jenis perilaku, tetapi ketika Anda mengukur semua perilaku dengan kompresibilitas aktual dari satu mikrogel, semua perilaku bersatu,” tambahnya. “Itu berarti kuantitas ini tampaknya menjadi yang penting untuk dipertimbangkan untuk memahami sifat makroskopik suspensi.”

Para peneliti menggunakan NSF’s Extreme Science and Engineering Discovery Environment untuk mensimulasikan sistem mikrogel. Sementara perilaku sistem berbasis partikel biasa mungkin tampak mudah dipelajari, kompresibilitas mikrogel ditambah dengan kompleksitas ikatan silang polimer membuat simulasi cukup besar, Alexeev mencatat.

“Sebuah partikel sudah menjadi sistem yang cukup rumit,” katanya. “Kompleksitas komputasi memberikan temuan yang kami harap akan mendorong eksperimentalis untuk mengeksplorasi lebih lanjut apa yang dapat dilakukan oleh sistem unik ini.”

Penelitian ini didukung oleh NSF Faculty Early Career Development (CAREER) Award DMR-1255288, MCIU / AEI / FEDER, EU (Grant PGC2018-336 097842-B-I00), dan NSF Graduate Research Fellowship DGE-1650044. Simulasi dilakukan dengan menggunakan sumber daya komputasi dari Extreme Science and Engineering Discovery Environment yang disediakan melalui NSF Awards DMR-180038 dan DMR-180026. Setiap pendapat, temuan, dan kesimpulan atau rekomendasi yang diungkapkan dalam materi ini adalah milik penulis dan tidak mencerminkan pandangan dari lembaga donor.

KUTIPAN: Svetoslav V. Nikolov, Alberto Fernandez-Nieves, dan Alexander Alexeev, “Perilaku dan mekanisme suspensi mikrogel padat” (Prosiding National Academy of Sciences, 2020). https://doi.org/10.1073/pnas.2008076117


Diposting Oleh : http://54.248.59.145/

About the author