Wie das Verdünnen mit Wasser eine Lösung fest macht

Im Wissenschafthaben TU/e-Forscher ihre Studie zu neuen Phasenübergängen von Lösungen und Gelen in Wasser veröffentlicht, die den Grundprinzipien der Chemie zu widersprechen scheinen und die sie zufällig entdeckt haben.

In der Chemie verwandelt sich ein Hydrogel in eine Flüssigkeit, indem es mit Wasser verdünnt wird. Für den umgekehrten Übergang erhöhen Sie die Hydrogelkonzentration. TU/e-Forscher unter der Leitung von Bert Meijer entdeckten jedoch zufällig, dass sich ihre flüssige Lösung beim Verdünnen in ein Hydrogel verwandelte. Dieses Phänomen war bisher weder erforscht noch beschrieben worden und könnte Folgen in vielen Bereichen der Chemie und Biologie haben.

Die Forschung konzentriert sich auf die Bildung bestimmter Hydrogele. Das heißt, es geht von einer wässrigen Lösung aus in diesem Fall zwei Substanzen (einem Tensid und einem Monomer) aus. Die Forschung zeigt, dass bei einem bestimmten Verhältnis dieser beiden Substanzen in Wasser ein Gel gebildet wird. Dieses Gel wird durch lange, supramolekulare Netzwerke aus beiden Substanzen gebildet. Die Mengen dieser Stoffe im Wasser (die Konzentrationen) bestimmen auch, wo sich der Phasenübergang der Gelbildung befindet. Wenn die Konzentration verringert wird, ohne das Verhältnis zwischen den beiden Komponenten zu ändern, löst sich das Gel auf und wird flüssig. Bisher ist dies vertrautes Terrain.

Außergewöhnlich ist jedoch, dass sich bei weiterer Verdünnung der Lösung wieder ein Gel bildet. Nun bilden sich andere supramolekulare Strukturen und es wird wieder ein Hydrogel. Und wenn es dann noch weiter verdünnt wird, wird es wieder flüssig. In der Arbeit wurde genau untersucht, welches die richtigen Anteile der Wirkstoffe sein sollten und bei welchen Konzentrationen die Phasenübergänge stattfinden. Diese Übergänge sind auch vollständig reversibel. Werden die Konzentrationen erhöht, erfolgen die Übergänge von Flüssigkeit zu Gel zu Flüssigkeit zu Gel an den gleichen Stellen. Dieses Phänomen sollte in anderen Bereichen wie der Biologie vorhanden sein, wurde aber noch nie erforscht und dokumentiert.

Zufällig entdeckt

Diese sogenannte verdünnungsinduzierte Selbstorganisation ist seit rund zehn Jahren Gegenstand der Forschung in der Arbeitsgruppe von Bert Meijer. Es war jedoch schwierig, diese Übergänge zu einem Feststoff zu erreichen und ihn in wässrigen Lösungen zum Laufen zu bringen. Doch Jesús Mosquera und Cyprien Muller entdeckten im Oktober 2019 zufällig, dass ihre flüssige Mischung aus zwei Komponenten beim Verdünnen zu einem Hydrogel wurde.

„Es ist sehr wertvoll zu zeigen, dass das, was man im ersten Chemieunterricht lernt, nicht immer hält. Beim Verdünnen werden nicht alle Gele und Lösungen per Definition flüssig“, sagt Meijer.

Lu Su, Hauptautor des Wissenschaft Papier, war sofort fasziniert von diesem Ergebnis. „Es war ein besonderer, zufälliger Fund. Und ich sah sofort mehr Möglichkeiten. Was wäre, wenn wir einen doppelten Übergang nachweisen könnten? Also von einem Gel zu einer Flüssigkeit, zurück zu einem Gel und zurück zu einer Flüssigkeit, indem einfach mehr Wasser hinzugefügt wird.“ „

„Ich muss ehrlich sagen, als Jesús und Cyprien mit ihren Recherchen begannen, war ich nicht sofort davon überzeugt, dass wir etwas Besonderes vor uns hatten“, sagt Meijer. „Aber als Gruppenleiter muss man junge Forscher unterstützen und ihnen vertrauen, wenn sie etwas anfangen, was sie begeistert und man es selbst noch nicht sieht. Da es ein neues Gebiet für uns war, sagte mir meine Intuition, positiv zu sein. Und das ist das Lustige an der Forschung. Oft funktioniert das, was man sich vorher ausdenkt, nicht, aber man kann zufällig Unvorhergesehenes entdecken. Deshalb habe ich sie von Anfang an beim Auf- und Ausbau ihrer Forschung unterstützt.“

Abriegelungen

Der Zeitpunkt der Feststellung ist wichtig zu erwähnen, da kurz darauf die ganze Welt mit Sperrungen konfrontiert war und auch die TU/e-Labore geschlossen wurden. Das gab Su viel Zeit, darüber nachzudenken, wie sie das mit ihren Kollegen angehen könnte, nachdem Jesús und Cyprien die Niederlande verlassen hatten, um im Ausland Karriere zu machen. „Während der Teams-Meetings haben wir mit der Gruppe ein Brainstorming darüber gemacht, wie wir die Experimente aufbauen könnten. Gemeinsam haben wir einen guten Aufbau für zusätzliche Experimente gefunden.“

Als die Labs im Sommer 2020 wiedereröffnet wurden, begannen sie sofort, ihre Ideen zu erforschen. „Und es hat sich als richtig herausgestellt!“ Su sagt. „Innerhalb eines Monats hatten wir die Grundlagen unserer Experimente gemacht und die Hydrogel-Lösung-Hydrogel-Lösung (Gel-Sol-Gel-Sol)-Übergänge demonstriert.“

Im Herbst verfassten die Forscher gemeinsam den ersten Entwurf ihres Artikels, doch die Arbeit war noch nicht abgeschlossen. „Wenn Sie etwas Besonderes finden, möchten Sie sicherstellen, dass Ihre Interpretationen korrekt sind. Deshalb habe ich sie ermutigt, in die Sicherstellung der Reproduzierbarkeit und die Erweiterung des Anwendungsbereichs zu investieren“, sagt Meijer. Eine neue Reihe von Experimenten wurde von Su eingerichtet. Leider konnte sie diese aufgrund ihrer Schwangerschaft nicht selbst im Chemielabor durchführen, sondern wurde von Kollegen übernommen. Experimente wurden mehrmals wiederholt, um noch zuverlässigere Ergebnisse zu erhalten.

Laut Meijer ist es schwierig zu sagen, wie weitreichend die Auswirkungen ihrer Entdeckung sein werden, aber es ist sicher, dass sie einen großen Einfluss auf Chemie und Biologie haben wird. „Solche Hydrogele können gute Lösungen für bestehende Herausforderungen sein, beispielsweise für die Kultivierung von Stammzellen. Im Gel können sich die Zellen sicher in drei Dimensionen teilen und wenn es genug gibt, verdünnt man die Lösung und die Zellen können richtig verwendet werden Das ist zum Beispiel eine Forschung, die wir derzeit gemeinsam mit der Gruppe von Patricia Dankers betreiben: Die Kunst besteht natürlich darin, die richtigen Substanzen zu finden, die dieses Verhalten zeigen, aber nicht mit den Zellwänden reagieren oder daran haften bleiben . Auf diese Weise mündet unsere Forschung in andere Forschung.“