Nach mehreren Jahren der Entwicklung der theoretischen Ideen haben Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign mehrere neuartige Vorhersagen über den grundlegenden Mechanismus des Transports von Atomen und Molekülen (Eindringmitteln) in chemisch komplexen molekularen und flüssigen Polymermatrizen validiert.
Die kürzlich in veröffentlichte Studie von Professor Ken Schweizer und Dr. Baicheng Mei von Materials Science and Engineering (MatSE). Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), erweiterte die Theorie und testete sie anhand einer großen Menge experimenteller Daten. MatSE Associate Professor Chris Evans und Doktorand Grant Sheridan arbeiteten an dieser Forschung zusammen, indem sie zusätzliche experimentelle Messungen lieferten.
„Wir haben eine fortschrittliche, hochmoderne Theorie entwickelt, um vorherzusagen, wie sich Moleküle durch komplexe Medien bewegen, insbesondere in Polymerflüssigkeiten“, sagte Schweizer. „Die Theorie hat abstrahiert, was die wichtigen Merkmale der chemisch komplexen Moleküle und des polymeren Mediums sind, durch das sie sich bewegen, das ihre Transportgeschwindigkeit steuert.“
Die Diffusion von Eindringmitteln in Polymermatrizen hat breite Anwendungen, einschließlich Membrantrennungen, Barrierebeschichtungen, Arzneimittelabgabe und Selbstheilung. Die Steuerung der Transportgeschwindigkeit von Eindringmitteln durch diese in Materialanwendungen verwendeten Matrizen ist jedoch ein komplizierter Prozess. Wie schnell sich Moleküle durch ein Material bewegen, kann über 15 Größenordnungen variieren, abhängig von verschiedenen Eigenschaften des Moleküls und der Matrix, vor allem der Größe des Moleküls und der Temperatur.
Nachdem die Theorie entwickelt war, durchsuchte das Team die Literatur, um so viele experimentelle Daten wie möglich für verschiedene Eindringmittel-Matrix-Paare zu finden. Sie suchten nach Datensätzen mit dem breitesten Temperaturbereich, um ihre Vorhersagen zu testen: von hohen Temperaturen, bei denen Polymere gummiartig sind, bis hin zu niedrigen Temperaturen, bei denen Polymere schließlich zu einem festen Glas verglasen, und nach Eindringmitteln mit sehr unterschiedlichen chemischen Strukturen in verschiedenen Polymeren und Molekulare Matrizen. Insgesamt wurden 17 Datensätze analysiert, und Schweizer sagt: „Wir haben sehr starke Beweise für die neuen Ideen der Theorie gefunden.“
Eine Änderung der Temperatur um sogar 30 % kann das Diffusionsvermögen von Eindringmittelmolekülen um 10 Größenordnungen verändern. Wenn die Temperatur gesenkt wird, wird die Diffusion langsamer und langsamer und letztendlich qualitativ schneller, was von der molekularen Natur des Eindringmittels und der Polymermatrix abhängt.
Schweizer erklärt: „Wenn das Molekül klein ist und/oder die Temperatur hoch ist, ist der Einfluss seiner Umgebung auf seine Bewegung einfacher und es spürt viel weniger Widerstand. Aber wenn das Molekül groß genug wird, insbesondere unter ausreichend kalten Bedingungen, wird es effektiv mehr von dem umgebenden Material aus dem Weg räumen muss, und es wird viel schwieriger zu bewegen, und das ändert die Temperaturabhängigkeit vollständig, in einer Weise, die die Unterschiede in der Transportrate verschiedener Moleküle, die ausgenutzt werden können, stark verstärkt entwerfen Sie selektivere Polymermembranen.“
Jedes Paar aus Eindringmittel und Polymermatrix hat seinen eigenen Fingerabdruck für die Geschwindigkeit, mit der sich das Molekül bewegen kann, und kleine Änderungen der Temperatur oder Größe des Eindringmittels können enorme Änderungen in der Bewegungsgeschwindigkeit des Moleküls erzeugen. Zu diesem Ergebnis sagt Schweizer: „Es ist ein spektakuläres experimentelles Phänomen.“
Nach der Validierung dieser Theorie „kommt dabei nicht nur eine Erklärung bestehender Daten heraus, sondern eine Möglichkeit, über die Synthese neuer Moleküle oder neuer Polymermaterialien mit einer maßgeschneiderten Geschwindigkeit des temperaturabhängigen Transports nachzudenken. Es ist wie inverses Engineering“, so Schweizer abgeschlossen.
Mehr Informationen:
Baicheng Mei et al, Aufklärung der physikalischen Faktoren, die den aktivierten Transport von Eindringmitteln in chemisch komplexen glasbildenden Flüssigkeiten steuern, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2210094119