Quién dijo que Flabber no es real: crear un gel de polímero termoestable homogéneo

¿Con qué cosas asocias el mundo moderno en términos de tecnología? Computadoras, robots, naves espaciales, órganos artificiales, clonación, etc. Los descubrimientos y la investigación en estas y otras áreas son como destellos brillantes de fuegos artificiales: los vemos, los escuchamos y nos sorprendemos juntos, diciendo algo como "wow" o "wow, qué genial". Y sí, cuando lees que después de 5 años planean hacerle un trasplante de pulmón artificial a una persona, entiendes que vivimos en un mundo maravilloso donde todo lo que antes era imposible se vuelve real. Sin embargo, hoy hablaremos de tecnología, cuya contribución a nuestras vidas se ha vuelto enorme, aunque ahora lo damos por sentado. Se tratará de polímeros artificiales. Más precisamente, la síntesis espontánea de una red homogénea de polímeros termoendurecibles. Puede parecerle a alguien que este es otro lenguaje sucio científico difícil de percibir, pero no todo es tan complicado y mucho más interesante aquí. Veamos cómo los científicos lograron crear un nuevo tipo de polímero y qué tienen de especial. Vamos

Antecedentes

Pero primero, una pequeña digresión en la historia o la terminología.

Los polímeros no son sustancias antropogénicas, es decir, no fueron creados por humanos en su forma original. Los polímeros nos rodearon mucho antes de la edad de oro de la ciencia o la revolución industrial. Proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos, etc. Todos estos son polímeros, más precisamente biopolímeros. Esta es una clase de polímeros que están presentes en todos los organismos vivos, plantas o animales. Nosotros mismos estamos compuestos de biopolímeros.


Un ejemplo sorprendente de biopolímeros es la doble hélice del ADN.

Un polímero es una sustancia que consiste en unidades de monómeros unidos entre sí en macromoléculas largas.

Si hablamos de la relación entre el hombre y el polímero, como objeto de estudio, entonces la historia se origina hace mucho tiempo. A mediados del siglo XIX, el científico Alexander Butlerov fue el primero en realizar un experimento con la polimerización, demostrando empíricamente que es posible cambiar la estructura de una molécula, mientras que su composición y peso seguirán siendo los mismos. Este trabajo fue una confirmación de sus declaraciones, que posteriormente se convirtieron en una "teoría de la estructura química".

Fundamentos de la teoría de Butlerov:

• Según su valencia, los átomos en las moléculas están conectados entre sí en una secuencia determinada. Esta secuencia se llama estructura química.
• Las propiedades de una sustancia dependen no solo de qué átomos la forman, sino también de la secuencia de la conexión de los átomos en la molécula.
• Conociendo las propiedades de una sustancia, se puede determinar su estructura molecular. Y viceversa.
• Los átomos y sus grupos se influyen entre sí dentro de la molécula.

Alexander Mikhailovich Butlerov

Tal descubrimiento se convirtió en una mirada verdaderamente radicalmente nueva a la estructura de las sustancias y sirvió de base para la teoría moderna de la estructura química.

Más tarde, en 1906, el químico estadounidense Leo Bakeland recibió resina de baquelita, un producto de condensación de fenol y formaldehído. Esta fue la primera aparición de un polímero orgánico sintético.

Así comenzó el largo y exitoso viaje de los polímeros sintéticos. Con el tiempo, aparecieron más y más especies nuevas, que poseían más y más propiedades sobresalientes. Ahora, para demostrar la prevalencia de los polímeros, solo necesita mirar a su alrededor. Y no importa si está en casa o al aire libre, hay polímeros artificiales en casi todas partes: bolígrafos de papelería, cajas de computadoras, piezas en automóviles, bolsas de supermercado, pañales y mucho más.

Este descubrimiento, aunque lo damos por sentado ahora, una vez hizo una verdadera revolución en la química, lo que llevó a una revolución en una variedad de tecnologías y en nuestra vida en general.

Fundamentos de estudio

Este estudio se centra en una categoría específica de polímeros sintéticos: termoendurecible. En contraste, existen polímeros termoplásticos.

Las moléculas de polímeros termoendurecibles tienen una estructura lineal, como las moléculas de polímeros termoplásticos. Sin embargo, hay una diferencia importante: las moléculas de los primeros pueden combinarse en grupos. Bajo cierta acción, como regla, calentamiento, se forma una red espacial continua (homogénea), por lo que la estructura molecular del polímero termoendurecible se vuelve no lineal.

Por cierto, la resina de baquelita, que mencionamos anteriormente, se refiere específicamente a los polímeros termoendurecibles.

Una diferencia importante entre los polímeros termoplásticos y termoendurecibles es también que cuando se calienta, el primero se ablanda y se funde, y se endurece cuando se enfría. Pero el polímero termoendurecible cuando se expone a la destrucción química irreversible, pero no se funde.

Los polímeros termoendurecibles tienen varias ventajas (bajo precio, resistencia a factores externos, etc.) y, por supuesto, desventajas (toxicidad, fragilidad, proceso de formación prolongada, etc.).

La creación de un polímero termoestable homogéneo se discutirá en el estudio de hoy. Los científicos decidieron mejorar este proceso simplificándolo. El método para crear una estructura de red a partir de polímeros monodispersos * es realmente simple: mezclar los compuestos necesarios. En otras palabras, una vinagreta química, cuyos ingredientes seleccionas experimentalmente para lograr el "sabor" perfecto en la salida.

Polímeros monodispersos * : polímeros que consisten en macromoléculas idénticas.

Para lograr este objetivo, los científicos combinaron la polimerización * con una velocidad de reacción alta y la reticulación * con una velocidad de reacción baja (en comparación con la polimerización). Un punto importante es que ambas reacciones tienen un catalizador común.

La polimerización * es el proceso de creación de un compuesto de alto peso molecular, cuando las moléculas de monómero se unen secuencialmente al centro activo al final de la cadena de crecimiento, que forma la molécula de polímero.

La reticulación * es la reacción de la formación de enlaces químicos transversales de macromoléculas con la formación de una red espacial.

Los científicos decidieron usar el trabajo de sus colegas y predecesores en su trabajo. En particular, la polimerización radical en el modo de cadenas vivas, cuando es posible en poco tiempo obtener las variantes más diferentes de polímeros monodispersos necesarias para este estudio.


Esquema de creación de polímeros

En el curso de los experimentos, se obtuvo una muestra de red de polímeros, que consta de polímeros con una pequeña MMP * , utilizando los métodos de un iniciador multifuncional * y un terminador multifuncional * .

MMP * : la distribución del peso molecular es la relación de macromoléculas de diferentes pesos moleculares en el polímero.

Iniciador * : una sustancia que se descompone fácilmente en radicales libres. Se utiliza para iniciar la polimerización radical agregando esta sustancia (no más del 1% en peso del monómero).

Terminator * : una sustancia que es la base de la reacción de terminación cuando se detiene la formación de intermedios reactivos en la etapa de creación de la cadena durante la polimerización.

En este experimento, para la terminación, los polímeros con pequeñas MMP se prepararon previamente por polimerización radical en el modo de cadena viva. Luego, estos polímeros se conectaron a varias cadenas de polímeros para formar un polímero en forma de estrella (diagrama de arriba, imagen c ). Después de mezclar los "ingredientes" necesarios, dos reacciones ocurren secuencialmente a diferentes velocidades (como se mencionó anteriormente), lo que condujo a la formación de un gel de polímero con una red relativamente homogénea estructura

Los resultados de los experimentos.

DMF / H2O: evaluación de la relación óptima de componentes

Durante la polimerización de monómeros de vinilo usando cobre (como catalizador) y un compuesto orgánico halogenado (como iniciador) en una solución de dimetilformamida * (DMF) y agua, se produce una reacción de desproporción * de cobre, que conduce a la polimerización radical en el modo de cadena viva iniciada por la transferencia de electrones.

Dimetilformamida * - (CH ₃ ) ₂ NC (O) H es una sustancia orgánica, que en este caso se utiliza como disolvente para crear el polímero.

Desproporción * : una reacción química cuando un elemento actúa como agente oxidante y como agente reductor al mismo tiempo.

Esta técnica le permite obtener una cantidad suficiente del polímero deseado en poco tiempo.

Utilizando un iniciador multifuncional (tetrapentaeritritol 2-cloropropionato - C37H68O8) polimerización radical en el modo de cadenas vivas iniciadas por transferencia de electrones, fue posible sintetizar un polímero en forma de estrella a partir de cuatro polímeros monodispersados.

Para verificar cómo la composición de la solución afecta el proceso de polimerización, _se usó C37H68O8 como iniciador en una solución de dimetilformamida (DMF) y agua (H2O), cuando la proporción de DMF fue del 25, 50 o 75% en volumen. Además, se usó N-isopropilacrilamida ((C ₆ H ₁₁ NO) _n ) como un monómero de vinilo para formar un polímero termoendurecible. La temperatura de polimerización fue de 4ºC.


Imagen No. 1:
a) es un diagrama del proceso de conversión de monómero en polímero dependiendo del tiempo de reacción;
b) una consideración de la polimerización como reacción primaria basada en el diagrama a;
c) es la relación del peso molecular promedio del polímero obtenido y la conversión (conversión de monómero a polímero);
d) es la relación entre la distribución de peso molecular (MMP) y la conversión.

Los gráficos anteriores juntos muestran el proceso de polimerización, donde C ₃₇ H ₆₈ O ₈ , (C ₆ H ₁₁ NO) _ny CuCl (cloruro de cobre) actúan como catalizador, y C ₁₂ H ₃₀ N ₄ como su ligando * . Tanto el catalizador como el ligando se disolvieron en un sistema disolvente con una composición diferente de DMF / H2O en argón.

Ligando * - una molécula, átomo o ion asociado con un determinado centro.

Después de mezclar todos los componentes, continuó la polimerización de N-isopropilacrilamida. Cuando la proporción de DMF alcanzó el 25%, se usó casi toda la N-isopropil acrilamida después de 2 horas.

A una concentración de DMF del 50%, el proceso se ralentizó ligeramente, pero se usó aproximadamente el 95% de N-isopropilacrilamida después de 4 horas. Ya se observó una caída significativa en este indicador (67% en 24 horas) con una participación de DMF del 75%.

El análisis de los datos mostró que para lograr el mejor resultado de polimerización, la fracción de DMF debería ser del 25 al 50% en volumen. Ya en 60% vol. El índice MMP aumenta en la segunda mitad del proceso, y en 75% vol. - todo el proceso es muy complicado y se ralentiza.

El efecto de la composición del disolvente y la temperatura sobre la hinchazón del gel polimérico.

Los polímeros tienen la propiedad de hincharse, es decir, aumentar su volumen debido a la absorción del líquido, mientras mantienen su propiedad de no fluidez.

En este caso, es imperativo que el solvente sea de calidad apropiada, por así decirlo. Dado que el polímero se agrega y precipita durante la síntesis del gel en dichos disolventes, esto evita la formación de un gel de polímero con una estructura de red homogénea. Es decir, el resultado de esta acción será completamente opuesto a lo que se esperaba.

Para los experimentos, utilizamos un polímero en gel cilíndrico hecho por polimerización radical clásica con metilen bisacrilamida (C7H10N2O2) como agente de "reticulación".

Esta muestra de gel se preparó en agua a 4ºC. Esta temperatura no es accidental. A 4 ° C, el agua se convierte en un excelente disolvente para el polímero de prueba. Por lo tanto, además de la proporción de componentes solventes, la temperatura también juega un papel importante.


Imagen No. 2

El gráfico anterior muestra el grado de hinchamiento del gel polimérico a diferentes temperaturas y el disolvente DMF / H2O con una composición diferente. El grado de hinchamiento ( L / L0 ) es la relación de la longitud del gel polimérico en el momento de la preparación ( L0 ) y bajo ciertas condiciones ( L ) establecidas experimentalmente.

A una temperatura de ≤ 35 ° C y ≤ 50 vol.% DMF, si el volumen de agua aumenta, el gel comienza a hincharse activamente, pero cuando la temperatura aumenta a 40 ° C, se contrae.

Si el% en volumen de DMF es igual o mayor que 50, la influencia de la temperatura se vuelve menos notable, sin embargo, la inflamación todavía ocurre si el volumen de DMF es muy grande.

Cuando el índice de hinchamiento L / L0 ≤ 1, es imposible obtener el gel de polímero deseado, es decir, este indicador debe ser igual o mayor que 1. Y esto corresponde a las siguientes condiciones: la temperatura no es superior a 20 ° C, y el porcentaje en volumen de DMF en el solvente no es superior al 50% .

Creando un gel de polímero homogéneo

Además de los compuestos anteriores, se usó tetraalil glicocolaurilo (TA-G), un componente del grupo alilo de radicales, en la preparación del futuro gel de polímero.

En el proceso del experimento, la viscosidad aumentó gradualmente, pero la mezcla de prueba permaneció en solución hasta la marca de 5 horas desde el comienzo del experimento. En este punto, C ₃₇ H ₆₈ O ₈ activa la polimerización. Sin embargo, con una fracción en volumen de DMF de 25% en volumen, la solidificación de la muestra se produjo solo después de 6 horas.


Imagen No. 3: proceso de curado en gel a 25% en volumen de DMF y una temperatura de 4 ° C.

En este caso, TA-G actúa como un terminador que completa el proceso de polimerización, formando así un gel de polímero. Para lograr este resultado, se añadieron 5 equivalentes de TA-G en C37H68O8.

Si solo se usó 1 equivalente de TA-G, la viscosidad aumentó, pero nunca se observó solidificación. A 2 TA-G - se observó viscosidad parcial, a 3 o más - completo, y a 5 - se obtuvo un gel de polímero transparente y elástico.


Imagen No. 4

La Figura 4a muestra las estructuras químicas de C ₃₇ H ₆₈ O ₈ y TA-G. 4b son los resultados de la cromatografía de exclusión de polímeros obtenida por hidrólisis de un polímero en estrella. 4c muestra los resultados de la cromatografía de exclusión de polímeros obtenida por hidrólisis de una red de polímeros.


El video de arriba muestra 2 muestras de un gel de polímero: experimental (azul) y obtenido por polimerización radical convencional (blanco). Como podemos ver, la diferencia es bastante obvia. ( Enlace de descarga para video (automático) )

Un informe de los científicos sobre este estudio está disponible aquí .

Y materiales adicionales, aquí .

Epílogo

Los científicos han logrado crear un nuevo tipo de gel de polímero termoestable homogéneo con propiedades sobresalientes. Además, el método de fabricación también fue mejorado por ellos de tal manera que fue posible crear una gran cantidad de gel en poco tiempo.

Este material se usa inadvertidamente de manera única en una amplia variedad de tecnologías, desde la medicina hasta la exploración espacial. No hay dudas sobre esto, pero los investigadores no se apresurarán, porque este descubrimiento requiere refinamiento, a pesar de los resultados ya sorprendentes.

Dado este estudio, además del trabajo en el campo de la inteligencia artificial, el uso de bacterias en diversas tecnologías, etc., comienza a pensar en el hecho de que Flabber (comedia de 1997) no es una ciencia ficción.

Gracias por quedarte con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más materiales interesantes? Apóyenos haciendo un pedido o recomendándolo a sus amigos, un descuento del 30% para los usuarios de Habr en un análogo único de servidores de nivel de entrada que inventamos para usted: toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de $ 20 o cómo dividir el servidor? (las opciones están disponibles con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hasta diciembre de forma gratuita al pagar por un período de seis meses, puede ordenar aquí .

Dell R730xd 2 veces más barato? ¡Solo tenemos 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV desde $ 249 en los Países Bajos y los Estados Unidos! Lea sobre Cómo construir un edificio de infraestructura. clase utilizando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que cuestan 9,000 euros por un centavo?