Voir à l'intérieur des gels intelligents
Les scientifiques capturent le comportement dynamique sous contrainte
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Les progrès de la science des matériaux ont conduit au développement de "matériaux intelligents", dont les propriétés ne restent pas statiques mais changent en réponse à des stimuli externes. L'un de ces matériaux est le poly( N -isopropylacrylamide), ou PNIPAM, un gel polymère dont la solubilité varie en fonction de la température. Le polymère contient des groupes amides hydrophiles et des groupes isopropyles hydrophobes. À basse température, les groupes amides forment de fortes liaisons hydrogène avec l'eau, ce qui maintient le matériau bien gonflé et soluble. Toutefois, à mesure que la température augmente, ces liaisons hydrogène s'affaiblissent tandis que les interactions hydrophobes se renforcent, entraînant l'effondrement des chaînes de polymères en globules compacts. Cette transition se produit à la température critique inférieure de la solution (LCST), qui est d'environ 32 °C, proche de la température du corps humain. Le PNIPAM est donc particulièrement intéressant pour les applications biomédicales. Par exemple, il peut transporter des molécules bioactives lorsqu'il est gonflé et les libérer dans le corps par dégonflement. En outre, comme les forces de cisaillement des fluides corporels sont présentes dans le corps humain, il est crucial d'étudier le comportement du PNIPAM dans des conditions spécifiques.
Schéma du dispositif de rhéo-impédance personnalisé, qui applique simultanément une contrainte de cisaillement et mesure les propriétés électriques changeantes du gel. Ce dispositif peut révéler de manière dynamique et non invasive comment la structure interne et la conductivité du gel évoluent dans des conditions réelles, fournissant ainsi des données cruciales pour la conception de meilleurs matériaux intelligents.
Dr. Isao Shitanda from Tokyo University of Science Image source link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.5c04227
Bien qu'il existe de nombreuses études sur les transitions de phase de ces gels intelligents, la recherche sur la structure interne et la conductivité électrique n'a pas encore été élucidée. C'est dans ce contexte qu'une nouvelle étude a été réalisée.
"Aucune étude n'a observé de changements structurels microscopiques au sein du gel dans des conditions de contrainte de cisaillement, ni de variations de la conductivité électrique au sein du gel résultant de changements structurels macroscopiques au cours des transitions de phase. Nos résultats devraient être très utiles pour comprendre les mécanismes fonctionnels des gels polymères sensibles à la température dans des conditions d'écoulement", déclare le Dr Shitanda.
Pour étudier ce comportement, les chercheurs ont construit un dispositif de rhéo-impédance. Il combine un rhéomètre et un potentiostat. Le rhéomètre mesure la rigidité ou la souplesse du gel sous l'effet de la force et le potentiostat mesure le mouvement des charges électriques à travers le gel. Les chercheurs ont également utilisé la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) pour observer directement la façon dont la structure interne du gel se réorganise pendant le chauffage.
Dans leurs expériences, l'équipe a chauffé et refroidi le gel de façon répétée entre 20 et 50 °C tout en appliquant des contraintes de cisaillement contrôlées au matériau, simulant ainsi des applications en temps réel. Au cours de ces cycles, ils ont mesuré en continu l'évolution de l'impédance électrique du gel sur un large spectre de fréquences.
En dessous de la LCST, le gel se comporte comme un réseau hydraté et flexible où les ions se déplacent facilement, ce qui se traduit par une bonne conductivité électrique. Lorsque la température dépasse la LCST, des régions hydrophobes se forment à l'intérieur du gel. Ces régions agissent comme de minuscules plaques isolantes qui bloquent le mouvement des ions, provoquant l'accumulation de charges et modifiant à la fois la résistance et la capacité.
La déformation par cisaillement a produit des effets supplémentaires. À de faibles déformations, entre 1 et 5 %, la force appliquée a poussé la solution électrolytique hors des régions hydrophobes, ouvrant ainsi des voies plus conductrices. À des tensions modérées, entre 5 et 10 %, le cisaillement continu a expulsé encore plus d'électrolyte de l'intérieur du gel, réduisant ainsi la conductivité. À des tensions élevées, entre 10 et 20 %, les domaines hydrophobes internes ont commencé à se désagréger. Cela a créé de nouveaux espaces et réorganisé le réseau de manière à augmenter à nouveau la conductivité.
Ces changements structurels ont été confirmés par des mesures rhéo SAXS, qui ont montré que le gel passait d'un réseau uniforme à une structure séparée en phase avec des domaines hydrophiles et hydrophobes distincts sous l'effet de la contrainte.
Le PNIPAM est déjà utilisé dans les systèmes d'administration de médicaments, les échafaudages cellulaires et les micro-actionneurs en raison de son comportement mécanique et électrique sensible à la température. Le PNIPAM est hautement biocompatible et peut être chargé de médicaments. Lors de l'administration, les microgels sont rassemblés sur le site cible et, après un léger réchauffement, une transition de phase se produit, entraînant la libération du médicament. La structure interne du gel étant liée à la résistance mécanique, le PNIPAM pourrait être utilisé pour concevoir des robots souples et des capteurs flexibles. Cette nouvelle méthode de rhéo-impédance offre un moyen non invasif de sonder le réseau interne de ces gels et fournit des indications précieuses pour le développement de la prochaine génération de polymères intelligents. Les chercheurs notent que cette approche pourrait être appliquée au contrôle de la qualité des produits à base de gel tels que les cosmétiques, les aliments et les produits pharmaceutiques, ainsi qu'aux électrolytes polymères.
"Contrairement aux mesures statiques conventionnelles, cette approche permet une évaluation dynamique in situ des transitions fonctionnelles au sein des hydrogels et établit une base méthodologique pour étendre l'analyse de la rhéo-impédance. Elle devrait devenir une nouvelle méthode d'évaluation pour améliorer la durabilité des matériaux", déclare le Dr Shitanda.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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