納米科學:空氣,水界面的智能納米凝膠:中子反射率的結構研究!

納米科學：空氣，水界面的智能納米凝膠：中子反射率的結構研究！

凝膠是許多日常產品中存在的材料，例如洗髮劑，防曬劑和食品明膠等。它們由混合物形成，其中大量液體，通常是水，被限制在聚合物鏈或膠體顆粒的柔性網絡內。在具有不同性質和應用的所有不同類型的凝膠中，納米凝膠是亞微米尺寸的交聯聚合物顆粒，其可以在其網絡結構中攜帶或摻入大分子。這種特性加上它們的「軟」特性和引入刺激響應特性的能力，意味著它們具有許多有吸引力的應用，包括藥物內，特別是藥物輸送。

基於NIPAM（N-異丙基丙烯醯胺）的納米凝膠被認為是「智能」或「可切換」材料，因為它們在接近生理溫度的臨界溫度下經歷相變- 正常人體溫度為37° C。這意味著它們具有作為智能藥物遞送載體的潛力，其中活性劑或藥物的釋放可以通過溫度變化觸發。這可以通過簡單的接觸來使用，例如，通過我們的皮膚在透皮遞送系統中。基於聚合物的這種系統的開發需要更好地理解這種納米材料的複雜動態結構，並且目前缺乏關於這些材料在界面上如何實際表現的實驗數據。

中子是研究納米凝膠微觀結構的理想工具，因此有助於了解如何控制其性質。特別是，中子反射計是表面和界面研究的首選技術。因此，選擇ILL反射計FIGARO作為該研究的主要實驗平臺，QMUL-ILL團隊使用以不同百分比的MBA（N，N'-亞甲基雙丙烯醯胺）合成的基於NIPAM的納米凝膠作為10-30％範圍內的交聯劑，並在人體生理溫度下表徵它們。迄今尚未嘗試在分子長度尺度上對這些系統進行詳細的結構研究。

在這項工作中，顯示納米凝膠的大的構象變化發生在空氣/水界面。已發現三層模型在地表描述這些系統;第一密集填充的塌陷層與空氣接觸，第二層溶劑化聚合物和第三層擴散聚合物鏈延伸到本體溶液中。該研究還提供了納米凝膠結構變化的第一個實驗證據，作為空氣/水界面交聯度的函數，隨著納米凝膠中摻入的交聯劑的百分比增加，獲得更多的剛性基質並且吸附的納米凝膠的量增加。這些系統的非平衡性質意味著不可能應用常規表面張力分析來估計界面處的量。相反，具有同位素對比度變化的中子反射率測量提供了確定吸附量的靈敏方法。隨著越來越多的材料到達界面，它還允許隨時間跟隨界面處納米凝膠的體積分數的變化。該技術還突出了構造的變化，這對於將這類材料的結構與功能相關聯是重要的。因為中子相互作用以不規則的方式與原子序數（即不同的同位素）不同，該技術允許使用各向同性替換來突出顯示結構的不同方面。在不同的同位素對比中記錄的測量分析導致複雜結構的解析度。

FIGARO是ILL的中子反射計，針對自由液體表面的測量進行了優化。它是一種多功能的儀器，自投入使用以來的六年中已經產生了70多種同行評審的出版物。它具有高強度配置，用於動態測量，因為材料在接口處組裝，這在本研究中被利用，以及在解決漫反射界面結構所需的寬動態範圍內記錄數據的能力，ILL首次負責FIGARO儀器的負責科學家Richard Campbell博士說：「表面張力測量對於在空氣表面組裝的材料最敏感，而中子反射率的穿透力導致對更多漫射結構的敏感性。由於能夠進行動態界面組件的快速測量以及使用FIGARO的優化高強度配置進入納米凝膠中存在的漫射結構的更詳細測量，因此是可能的。

中子反射率和體積分數曲線可以在圖中看到。示出了表面結構相對於深度的三個不同區域。存在與空氣接觸的第一層，其相當緻密，體積分數為約60％，接著是兩個逐漸擴散的層。有趣的是，第一層中水的含量隨著MBA的量而增加 - 這可歸因於具有更高交聯度的凝膠改變構象（並因此從聚合物網絡排斥水）的能力的降低。

結構數據還表明，在吸附過程中納米凝膠顆粒在界面處的構象發生了廣泛的重排，導致結構變形 - 隨著交聯劑百分比的增加，變形程度減小。儘管先前已假設基於NIPAM的微凝膠的體積和液/液界面之間的構象差異，但該研究首次提供實驗支持證據，QMUL生物和化學科學學院的Ali Zarbakhsh博士說：「所提供的數據為凝膠顆粒在界面處的行為提供了重要的缺失信息。我們相信它們可能導致實現理性，智能的新材料設計。我們的研究結合未來對相關系統的其他研究所獲得的見解，可能會形成一個有前途的平臺，具有比現有替代品更耐用和用戶友好的藥物管理途徑的特徵。