Szczotki polimerowe – co to takiego?

Myśląc o szczotkach wyobrażamy sobie różnego rodzaju przedmioty, które wykorzystujemy w życiu codziennym. Gdybyśmy wyobrazili sobie te same szczotki, tylko w zminiaturyzowanych rozmiarach, moglibyśmy nadać im zupełnie nowe cechy, świadczące o „inteligencji”. Obraz, który uzyskamy to właśnie inteligentne szczotki polimerowe, nazywane również szczotkami molekularnymi. Ich włosie składa się z pojedynczych łańcuchów polimerowych o długości liczonej w nanometrach oraz grubości pojedynczych atomów. Szczotki polimerowe mogą być szczepione na różnych podłożach, przez co nadają takim powierzchniom unikatowe właściwości. Do wspomnianych już farb silikonowych wprowadzane są polimery krzemoorganiczne - związki o mieszanym charakterze organiczno-nieorganicznym. Wiążą się one z podłożem częścią nieorganiczną – atomami tlenu, natomiast na zewnątrz kierują swoje organiczne grupy hydrofobowe. Następuje zablokowanie zwilżalności materiału, przy jednoczesnej swobodnej wymianie pary wodnej i pozostałych gazów. Para wodna z zewnątrz nie jest pochłaniana, co czyni powierzchnię odporną na warunki atmosferyczne. Kiedy używamy wodoodpornego kremu do opalania nasza skóra również nie przestaje oddychać. Mimo że jest on znacznie mniej trwały, niż farby silikonowe, to mamy do czynienia z tym samym zjawiskiem.

Inteligencja szczotek polimerowych

Specyfika szczotek polimerowych polega na tym, że reagują one na określone warunki środowiskowe: zmianę temperatury, pH czy siły jonowe. Przy pomocy różnych bodźców mogą zmieniać swoją strukturę. Na przykład zmiana temperatury może spowodować skurczenie się szczotek i brak możliwości zwilżenia ich powierzchni. Ważne jest, że zawsze można wrócić do poprzedniego stanu. Dzięki temu, w zależności od naszych potrzeb możemy wykorzystywać inteligencję szczotek polimerowych poprzez programowanie ich w określonym kierunku. System włączania i wyłączania szczotek polimerowych jest szeroko wykorzystywany w nanotechnologii, badaniach medycznych oraz biologicznych, m.in.: w uwalnianiu leków wewnątrz ciała tylko w określonych warunkach, kontroli zanieczyszczenia wody – poprzez zmianę koloru lub grubości szczotek oraz wielu innych technologiach. Bardzo duża podatność na bodźce środowiskowe daje szerokie spektrum możliwości wykorzystania tych materiałów. Naukowcy prowadzą badania nad strukturą i sposobem działania szczotek polimerowych, jednak największe nadzieje wiązane są z projektowaniem materiałów inteligentnych, tj. zmieniających swoje własności w kontrolowany sposób w reakcji na bodziec otoczenia.

POLYBRUSH

W celu opracowania technologicznych zastosowań szczotek polimerowych niezbędne jest dokładne poznanie ich wzajemnych oddziaływań z innymi cząsteczkami, głównie z nanocząsteczkami, z którymi oddziałują najczęściej. Ze względu na złożoność układów polimerowych szczotka-nanocząstka oraz ich małe objętości, doświadczalne pomiary dynamiki były dotąd niezwykle trudne. Niemieccy uczeni w opublikowanym ostatnio projekcie POLYBRUSH (Dynamics in polymer brush-nanoparticle systems) stworzyli system szczotek polimerowych wykorzystujących nanocząsteczki złota. Głównym celem projektu było uzyskanie modelu szczotka-nanocząstka oraz możliwość pomiaru dynamiki jako funkcji parametrów geometrycznych, m.in.: długości łańcucha szczotki, wielkości i stężenia cząstek. Naukowcom udało się przezwyciężyć wiele problemów, które wcześniej uniemożliwiały badanie dynamiki tych złożonych systemów. Opracowane wyniki otwierają drzwi do wykonywania takich pomiarów systematycznie, w zależności od parametrów geometrycznych. Poznanie interakcji między nanocząsteczkami i szczotkami polimerowymi pozwoli na udoskonalenie ich konstrukcji pod kątem przyszłych zastosowań, przede wszystkim w biomedycynie, ochronie środowiska i przemyśle. Być może już wkrótce będziemy świadkami przełomu w projektowaniu inteligentnych materiałów wykorzystujących zjawisko "szczotek polimerowych", co niewątpliwie zrewolucjonizuje wiele obecnie stosowanych technologii.