Comment diluer avec de l’eau rend une solution ferme

Dans La sciencedes chercheurs de la TU/e ​​ont publié leur étude sur les nouvelles transitions de phase des solutions et des gels dans l’eau, qui semblent aller à l’encontre des principes de base de la chimie, et qu’ils ont découvertes par hasard.

En chimie, un hydrogel se transforme en liquide en le diluant avec de l’eau. Pour la transition inverse, vous augmentez la concentration d’hydrogel. Cependant, des chercheurs de la TU/e ​​dirigés par Bert Meijer ont accidentellement découvert que leur solution liquide se transformait en hydrogel lorsqu’elle était diluée. Ce phénomène n’avait pas été étudié ou décrit auparavant et pourrait avoir des conséquences dans de nombreux domaines de la chimie et de la biologie.

La recherche porte sur la formation de certains hydrogels. Cela signifie qu’il commence par une solution aqueuse de, dans ce cas, deux substances (un tensioactif et un monomère). La recherche montre qu’un gel se forme à un rapport spécifique de ces deux substances dans l’eau. Ce gel est formé de longs réseaux supramoléculaires composés des deux substances. Les quantités de ces substances dans l’eau (les concentrations) déterminent également où se situe la transition de phase de la formation du gel. En diminuant la concentration sans changer le rapport entre les deux composants, le gel se dissout et devient liquide. Jusqu’à présent, c’est un territoire familier.

Ce qui est extraordinaire, cependant, c’est que si la solution est encore plus diluée, un gel se forme à nouveau. D’autres structures supramoléculaires se forment maintenant et il redevient un hydrogel. Et s’il est ensuite encore dilué, il redevient liquide. L’article a soigneusement examiné quelles devraient être les proportions correctes des substances actives et à quelles concentrations les transitions de phase ont lieu. Ces transitions sont également entièrement réversibles. Si les concentrations sont augmentées, les transitions du liquide au gel au liquide au gel se produisent aux mêmes points. Ce phénomène devrait être présent dans d’autres domaines, comme la biologie, mais n’a jamais été étudié et documenté auparavant.

Découvert par hasard

Cet auto-assemblage dit par dilution fait l’objet de recherches dans le groupe de recherche de Bert Meijer depuis une dizaine d’années. Cependant, il était difficile de réaliser ces transitions pour former un solide et de le faire fonctionner dans des solutions aqueuses. Mais Jesús Mosquera et Cyprien Muller ont découvert par hasard en octobre 2019 que leur mélange liquide de deux composants devenait un hydrogel lorsqu’il était dilué.

« Il est très utile de montrer que ce que vous apprenez lors de vos premières leçons de chimie ne tient pas toujours. Lors de la dilution, tous les gels et solutions ne deviennent pas liquides par définition », explique Meijer.

Lu Su, auteur principal du La science papier, a été immédiatement intrigué par ce résultat. « C’était une découverte spéciale et accidentelle. Et j’ai immédiatement vu plus de possibilités. Et si nous pouvions démontrer une double transition ? Donc, d’un gel à un liquide, de retour à un gel et de retour à un liquide simplement en ajoutant plus d’eau. « 

« Je dois être honnête, lorsque Jesús et Cyprien ont commencé leurs recherches, je n’étais pas immédiatement convaincu que nous avions quelque chose de spécial entre les mains », déclare Meijer. « Mais en tant que chef de groupe, vous devez soutenir et faire confiance aux jeunes chercheurs lorsqu’ils commencent quelque chose qui les passionne et que vous ne le voyez pas encore vous-même. Comme c’était un nouveau domaine pour nous, mon intuition m’a dit d’être positif. Et c’est ça qui est drôle dans la recherche. Souvent, ce que l’on conçoit à l’avance ne marche pas, mais on peut découvrir l’imprévu par hasard. C’est pourquoi je les ai accompagnés dès le départ dans la mise en place et le développement de leur recherche. »

Verrouillages

Le moment de la découverte est important à mentionner car peu de temps après, le monde entier a été confronté à des blocages et les laboratoires TU/e ​​ont également fermé. Cela a donné à Su beaucoup de temps pour réfléchir à la manière dont elle pourrait résoudre ce problème avec ses collègues après que Jesús et Cyprien aient quitté les Pays-Bas pour poursuivre une carrière à l’étranger. « Au cours des réunions des équipes, nous avons réfléchi avec le groupe à la manière dont nous pourrions mettre en place les expériences. Ensemble, nous avons trouvé une bonne configuration pour des expériences supplémentaires. »

Ainsi, lorsque les laboratoires ont rouvert à l’été 2020, ils ont immédiatement commencé à explorer leurs idées. « Et il s’est avéré que c’était vrai! » Su dit. « En un mois, nous avions fait les bases de nos expériences et démontré les transitions hydrogel-solution-hydrogel-solution (gel-sol-gel-sol). »

À l’automne, les chercheurs ont rédigé conjointement la première ébauche de leur article, mais le travail n’était pas encore terminé. « Lorsque vous trouvez quelque chose de spécial, vous voulez vous assurer que vos interprétations sont correctes. C’est pourquoi je les ai encouragés à investir pour assurer la reproductibilité et élargir la portée », explique Meijer. Une nouvelle série d’expériences a été mise en place par Su. Malheureusement, en raison de sa grossesse, elle n’a pas pu les réaliser elle-même dans le laboratoire de chimie, mais des collègues ont pu prendre le relais. Les expériences ont été répétées plusieurs fois pour obtenir des résultats encore plus fiables.

Selon Meijer, il est difficile de dire quelle sera l’ampleur des effets de leur découverte, mais il est certain qu’elle aura un impact majeur sur la chimie et la biologie. « De tels hydrogels peuvent être de bonnes solutions pour les défis existants, tels que la culture de cellules souches. Dans le gel, les cellules peuvent se diviser en trois dimensions en toute sécurité et, une fois qu’il y en a assez, vous diluez la solution et les cellules peuvent être utilisées correctement. C’est, par exemple, la recherche que nous menons actuellement avec le groupe de Patricia Dankers. L’astuce consiste, bien sûr, à trouver les bonnes substances qui présentent ce comportement mais ne réagissent pas aux parois cellulaires ou ne s’y collent pas. . De cette manière, nos recherches débouchent sur d’autres recherches.