Karakterisering av nanostrukturen og vannpermeabiliteten til selvassosierende systemer ved bruk av spredningsteknikker

Abstract

Surfaktanter og kopolymerer er molekyler som kan selvassosiere på nanonivå til en rekke forskjellige strukturer. Dette kan være alt fra sfærer og sylindre, til bi-lag tilsvarende de som finnes i cellemembraner. Disse strukturene har mange viktige anvendelser som for eksempel surfaktanter i såpe og kosmetikk, til mer avanserte anvendelser som medisinbærere i nanomedisinsystemer. På bakgrunn av dette kan forskning på disse molekylene og strukturene være meget nyttig, og det er spesielt viktig å forstå hvordan de avhenger av forskjellige molekylære egenskaper og hvordan de påvirkes av endringer i eksterne parametere som temperatur, pH og salt. Ny forskning på dette feltet kan dermed brukes til å bedre forståelsen av den fundamentale termodynamikken til selvassosierende systemer og for å skreddersy disse til spesifikke anvendelser. Et av de mest viktige og velstuderte amfifile molekylene er den anioniske surfaktanten natriumdodecylsulfat (SDS). Denne surfaktanten danner globulære miceller i vandige lønsinger som er høyst sensitive til små endringer i eksterne parametere som temperatur, pH og ionestyrke. En interresant egenskap ved disse er at de i tilstedeværelse av salt forlenges og danner sylindriske miceller som kan nå nesten makroskopiske lengder. Selv om denne prosessen er velstudert, har ikke mekanismene bak denne overgangen blitt fullstendig beskrevet kvantitativt. Eksperimentelle resultater kan i kombinasjon med datasimuleringer bli brukt til å utvikle mer nøyaktige modeller for å beskrive detaljene rundt denne overgangen. Ved å bruke lav-vinkel røntgenspredning (SAXS) fra en synkrotronkilde i kombinasjon med analytiske modeller, ble globulær-til-sylinderovergangen i dette arbeidet karakterisert som en funksjon av ionestyrke med forskjellige salter (NaCl, MgCl2, KCl and CaCl2). Både NaCl og MgCl2 forårsaket en eksponentiell økning i konturlengden til micellenene som en funksjon av ionestyrke, mens KCl og CaCl2 forårsaket faseseparasjon. Fasediagrammer basert på disse resultatene viser overlapp mellom overgangsområdene ved bruk av ionestyrke for NaCl og MgCl2. Ved den høyeste konsentrasjonen av MgCl2 ble det i tillegg påvist lange, fleksible sylindre med mulig krysslinking og/eller forgrening av micellene. Det andre hovedemnet i dette arbeidet er diblokk-kopolypeptidene PBLG-PLL bestående av en hydrofobisk del av poly-γ-benzyl-L-glutamat (PBLG) og en hydrofil del av poly-L-lysin (PLL). Disse kopolypeptidene er forventet å produsere store vesikler i vandig løsning og er frem til nå ubeskrevet i litteraturen. Vesiklene ble studert ved å forsøke å tilpasse en analytisk modell for en vesikkelstruktur til SAXS-data basert på resultater fra dynamisk lysspredning (DLS) og transmisjonselektronmikroskopi (TEM). Selv om tegn til vesikler ble funnet med TEM, indikerte spredningseksperimentene tilstedeværelse av andre morfologier. Den strukturelle karakteriseringen av systemene ved bruk av en vesikkelmodell ble derfor mislykket. På tross av dette, ble spredningskurvene fra partiklene analysert kvalitativt, og partiklene ble funnet til å være eksepsjonelt stabile ved endringer av parametere som temperatur og ionestyrke, noe som er ønsket i mange anvendelser. Vanntransporten gjennom vesiklene ble også studert ved bruk av tidsoppløst lav-vinkelnøytronspredning (TR-SANS) for å måle permeabiliteten til membranene. En komplett utveksling av vann gjennom bi-laget skjedde her raskere enn tidsskalen som var tilgjengelig med det eksperimentelle oppsettet, noe som er bemerkelsesverdig og en utypisk egenskap ved kopolymermembraner