Materialen maken van geladen polymeren

Moleculen met een tegengestelde lading trekken elkaar aan. Deze aantrekkingskracht kan worden gebruikt om materialen met interessante eigenschappen te maken. Aan de basis van deze aantrekkingskracht ligt de elektrostatische interactie, die niet alleen omkeerbaar is maar ook kan worden aangepast door te variëren met parameters zoals zoutconcentratie of pH-waarde.

Verschillende materialen kunnen worden gemaakt door twee polymeren met tegengestelde ladingen te gebruiken, en vervolgens controle uit te oefenen over hoe de polymeren zich via elektrostatische interactie samenvoegen. Het hoofddoel van het promotieonderzoek van Christian Sproncken was het ontwerpen en bestuderen van de eigenschappen van materialen die gemaakt zijn van tegengesteld geladen polymeren.

De wereld is zacht

"De wereld zit vol met zachte materialen. Denk maar aan lange-keten polymeren in cosmetica of cellen in het lichaam. Natuurlijk zijn deze structuren opgebouwd uit kleinere eenheden, zoals emulsies of korte-keten polymeren”, aldus Sproncken, die zijn onderzoek afrondde in het Laboratory of Self-Organizing Soft Matter onder leiding van Ilja Voets. "Maar wat echt interessant is, is dat deze eenheden op verschillende manieren kunnen worden samengevoegd om nieuwe materialen te maken."

In zijn onderzoek was Sproncken vooral geïnteresseerd in het combineren van tegengesteld geladen polymeren om nieuwe materialen samen te stellen met nuttige eigenschappen, die kunnen worden gebruikt voor verschillende toepassingen, zoals coatings voor herprogrammeerbare fotonische materialen en in materialen met antivriescapaciteiten.

De verschillende onderzoeken, veelzijdige benaderingen en intrigerende resultaten van Spronckens promotieonderzoek tonen het potentieel aan van elektrostatisch samengestelde polymeergebaseerde zachte materiesystemen voor een grote verscheidenheid van toepassingen.

Coatings voor fotonische materialen

Eerst bereidde Sproncken coatings van zachte materialen door substraten opeenvolgend onder te dompelen in afzonderlijke zwakke polyelektrolytoplossingen. Het resulterende polymeernetwerk kan zwellen en inzakken, afhankelijk van de zuurgraad (pH) van de oplossing waaraan het netwerk wordt blootgesteld.

"Door dit belichtingsproces te manipuleren, is het mogelijk om een droge polymeerfilm te maken met een zeer lage of zeer hoge porositeit," zegt Sproncken. "De brekingsindex van het materiaal is afhankelijk van de porositeit van het materiaal, wat dit materiaal ideaal maakt voor toepassingen in de fotonica."

Sproncken en Voets werkten samen met Oded Raz en Mahir Mohammed van de faculteit Elektrotechniek aan de TU/e om herprogrammeerbare fotonische microchips te maken door de microchips te coaten met het materiaal met variabele porositeit.

IJsvrij

Voor de volgende manier van het samenstellen van polymeren, hebben Sproncken en zijn medewerkers een ijsbindend polymeer opgenomen in micellen met een polyelektrolyte complexe kern. Het toevoegen van dit ongeladen polymeer voorkomt dat de kernen uitgroeien of samensmelten tot grote aggregaten, zonder controle over het formaat.

Wanneer dit specifieke polymeer zich aan ijskristallen bindt, kan het de groei van de ijskristallen sterk vertragen. Materialen die met dit polymeer zijn gemaakt, kunnen nuttig zijn om ongewenste ijsgroei te voorkomen, zoals op de voorruit van auto's of de vleugels van vliegtuigen.

"We ontdekten dat de ijsbindende activiteit van het polymeer behouden blijft na opname in de micellen, waardoor elektrostatische co-assemblage een veelbelovend instrument wordt als basis voor het ontwerpen van anti-ijs materialen", zegt Sproncken.

Klokreactie in uitvoering

Tenslotte onderzocht Sproncken manieren om invloed uit te oefenen op de interactie tussen tegengesteld geladen polymeren in een oplossing. Het direct mengen van tegengesteld geladen polymeren leidt vaak tot fasescheiding met een polymeerdichte fase en een verdunde fase.

Om de nanostructuren van polyelektrolyten te stabiliseren, gebruikte Sproncken een reactienetwerk om de grootte en vorm van de polymere nanodeeltjes te stabiliseren. "De werking van dit reactienetwerk is tweeledig”, merkt Sproncken op. "Het stemt de interactie af tussen de tegengesteld geladen macromoleculen en maakt tegelijkertijd delen van de ketens aan elkaar vast."

In de toekomst zouden dergelijke stabiele nanodeeltjes kunnen worden gebruikt als nanodragers in biomedische toepassingen, en dat is allemaal mogelijk dankzij een zogenaamde klokreactie die voorkomt dat grote onbruikbare aggregaten zich vormen.

Toekomstige avonturen met zachte materie

En terwijl de klok aangeeft dat Spronckens tijd op de TU/e ten einde loopt, bereidt hij zich al voor op zijn volgende avontuur in de zachte materie. Hij gaat naar de Universiteit van Fribourg in Zwitserland, waar hij gaat werken in het lab van Prof. Michael Mayer.

"Ik kijk erg uit naar deze volgende stap in mijn onderzoekscarrière, en naar het gebruik van de vaardigheden die ik hier aan de TU/e heb geleerd", zegt Spronckens. Zijn postdoctorale onderzoek zal gericht zijn op het samenstellen van blokcopolymeer-membranen voor waterige tweefasensystemen.

Titel van proefschrift: Attractive Soft Matter: Polyelectrolyte Assembly for the Design of Functional Materials. Begeleiders: Ilja Voets en Patricia Dankers (beiden TU/e).