Физики МГУ покрыли мягкой оболочкой твердые эллиптические частицы, чтобы проследить за их упорядочением при сжатии
Сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов совместно с коллегами из Германии описали поведение микрогелей с жёстким эллипсовидным ядром и мягкой полимерной оболочкой на границе двух несмешивающихся жидкостей. Учёные исследовали, как будет изменяться структура и морфология монослоя микрогелей при последовательном сжатии – эти закономерности изучались в эксперименте и с помощью компьютерного моделирования. Также было показано, как размер и форма мягкой оболочки микрогелей и наличие твердого ядра влияет на их упорядочение и взаиморасположение. Полученные результаты имеют важное практическое значение в управлении свойствами эмульсий в медицине, пищевой промышленности и нанотехнологиях.
Микрогели – мягкие пористые частицы, представляющие собой сшитые полимерные цепи. Микрогели объединяют в себе черты присущие и мягким полимерам, и твердым частицам, и поверхностно-активным веществам (ПАВ). При этом в зависимости от внешних условий они могут менять свою форму, размер и физико-механические свойства, что позволяет создавать «умные» материалы с гибкими характеристиками. Например, подобно твердым частицам или ПАВ, микрогели могут выступать в роли стабилизаторов эмульсий. Однако размер микрогелей, их положение на границе и их порядок регулируются, а значит свойства таких стабилизаторов можно предсказуемо менять.
«Мы исследовали особенности деформации и упорядочения анизотропных микрогелей с жёстким эллипсовидным ядром и мягкой полимерной оболочкой на границе раздела двух жидкостей. Наши образцы отличались друг от друга толщиной полимерной оболочки: от практически твердой частицы (в случае тонкой полимерной оболочки) до очень мягкой (когда оболочка большая), при этом твёрдое ядро для всех образцов было одинаковым. Чем больше толщина мягкой полимерной оболочки, тем менее заметен вклад твёрдого ядра. Нас интересовало, как наличие и размер полимерной оболочки влияет на положение микрогелей на межфазной границе, на их ориентацию и взаимное расположение», - рассказал профессор физического факультета Игорь Иванович Потёмкин.
«Важным аспектом исследования было изучение отклика микрогелей при последовательном сжатии монослоя. При сжатии первыми деформируются мягкие полимерные оболочки. Однако с увеличением степени сжатия наличие жёстких эллипсовидных ядер выходит на первый план и играет ключевую роль в выстраивании микрогелей. Микрогели стремились ориентироваться друг относительно друга так, чтобы свести к минимуму возникающее напряжение. Эта тенденция хорошо прослеживается при расчете параметра порядка в системе», – добавляет научный сотрудник физического факультета Рудов Андрей Андреевич.
Таким образом, регулируя степень сжатия и размер мягкой оболочки, можно наблюдать переходы от разупорядоченного в упорядоченное состояние микрогелей и контролировать процесс этого перехода. Результаты работы подчёркивают важность мягкой оболочки в создании сложных вариантов упорядочения микрогелей на границах раздела. Также были получены изотермы сжатия для каждого образца, которые могут быть использованы в будущих экспериментах для получения информации о структуре монослоя без использования дополнительных методов визуализации.
Рисунок: Снимки срезов монослоев микрогеля для разной степени сжатия. Полимерная оболочка микрогелей отмечена цветами радуги, а твердые ядра - серым
Медиацентр факультета