Materialen maken van geladen polymeren

Zachte materie is te vinden in veel alledaagse materialen, zoals voedsel, cosmetica, en lichaamscellen. De structuur van deze kleine, zachte materialen wordt bepaald door verschillende interacties, waarvan elektrostatische interactie er één is. Voor zijn promotieonderzoek gebruikte Christian Sproncken elektrostatische interacties om zachte materialen om te vormen tot verschillende structuren gemaakt van geladen polymeerketens. Deze materialen kunnen worden gebruikt in responsieve coatings voor fotonische microchips of materialen die ijsgroei op autoruiten of vliegtuigvleugels tegengaan. Sproncken rondde zijn onderzoek af in het Laboratory of SelfOrganizing Soft Matter onder leiding van Ilja Voets. Op 26 oktober verdedigde hij zijn proefschrift bij de faculteit Chemical Engineering and Chemistry aan de Technische Universiteit Eindhoven.

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 pHwaarde.

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.

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. Te denken valt aan 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. 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, was het mogelijk om een droge polymeerfilm te maken met een zeer lage of zeer hoge porositeit. 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.

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.

De onderzoekers ontdekten dat de ijsbindende activiteit van het polymeer behouden blijft na opname in de micellen, waardoor elektrostatische coassemblage een veelbelovend instrument wordt als basis voor het ontwerpen van antiijs materialen.

Klokreactie in uitvoering

Ten slotte 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. Volgens Sproncken is de werking van dit reactienetwerk tweeledig. 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. Op 26 oktober verdedigde Sproncken zijn proefschrift bij de faculteit Chemical Engineering and Chemistry aan de Technische Universiteit Eindhoven, onder de titel ‘Attractive Soft Matter: Polyelectrolyte Assembly for the Design of Functional Materials.´

Tekst TUEindhoven