Полимерные микрогели — это набухшие в растворителе сетчатые объекты, сочетающие в себе свойства макромолекул, нано- или микрочастиц (в зависимости от размера сетки) и поверхностно-активных веществ. Они способны самопроизвольно собираться в сложные структуры как в растворе, так и на поверхности жидкости. Микрогели могут быть термочувствительными в водных средах, благодаря чему, меняя температуру, можно контролировать как размер отдельных частиц микрогелей, так и форму образуемых ими комплексов. Это свойство может быть полезно при создании двумерных материалов, систем доставки лекарств и «микроконтейнеров» для проведения химических реакций. Однако, чтобы микрогели можно было использовать на практике, важно знать, как и по каким «правилам» они взаимодействуют друг с другом и собираются в растворе и на его поверхности.
Исследователи из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) с коллегами из Рейнско-Вестфальского технического университета Аахена (Германия) и Юлихского исследовательского центра (Германия) изучили поведение микрогелей, состоящих из полистирольного ядра, заключенного в оболочку из поли(N-изопропилметакриламида).
«Поли(N-изопропилметакриламид) — распространенный термочувствительный полимер, который используют для получения микрогелей. При комнатной температуре он хорошо растворим в воде, а при нагревании его растворимость пропадает. Полистирол в качестве ядра нужен, чтобы получить частицы разной формы. При комнатной температуре полистирол по механическим свойствам аналогичен твердому телу, а при нагревании он становится пластичным, и его можно деформировать, например, вытянуть. Если потом температуру снова понизить до комнатной, то вытянутая форма сохранится», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Игорь Потемкин, доктор физико-математических наук, профессор РАН, профессор кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Исследователи синтезировали микрогели со структурой «ядро-оболочка» разной формы — от сферических до сильно вытянутых, у которых длина ядра в восемь раз превышает его толщину. Чтобы проследить за самосборкой таких частиц, их нанесли на поверхность воды. Помимо эксперимента, авторы провели компьютерное моделирование, которое позволило детально изучить форму и внутреннюю структуру таких объектов на границе раздела жидкости и воздуха.
Сравнение деформаций интерфейса, вызванных частицами чистого полистирола (ПС) (А) и мягкими микрогелями ядро-оболочка (В), как показано с помощью крупнозернистого моделирования. Источник: Hazra et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024
Эксперимент и моделирование показали, что сферические микрогели не формируют сложных упорядоченных «узоров» на поверхности жидкости. Вытянутые же частицы, в зависимости от степени вытяжки, укладывались в треугольники или создавали ветвящиеся структуры, в которых отдельные частицы лежали бок о бок, соприкасаясь по своим длинным сторонам. Такие различия связаны с тем, что в случае длинных частиц сильнее проявлялся капиллярный эффект — изменение поверхностного натяжения на границе воды в местах ее контакта с микрогелем.
«Полученные данные будут полезны при проектировании двумерных материалов, а также нанореакторов на основе полимерных микрогелей для проведения химических реакций. В дальнейшем мы планируем детально исследовать влияние химического состава и размера микрогелей на их внутреннюю структуру и самоорганизацию на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей», — рассказывает Игорь Потемкин.
