布莱尔·布雷特曼揭露了使聚电解质刷倒塌和恢复的动力学。乔治亚理工学院材料科学与工程学院的助理教授坐在原子主动脉显微镜(AFM)前。图片来源:佐治亚理工学院/克里斯托弗·摩尔
如果刷子的毛突然塌陷成一团一团的面条，刷子当然就没用了。当它是一种被称为“聚电解质刷”的微米级刷子时，这种崩溃可能会使一种有前途的实验药物或润滑剂失效。
但现在，一项新的研究详细地揭示了是什么让这些特殊的鬃毛崩溃并恢复。这项研究增加了对这些化学刷子的了解，它们有许多潜在的用途。
什么是聚电解质刷?
聚电解质刷看起来有点像软刷子，比如擦鞋刷，但它们是大分子的，而且“刷毛”是由聚合物链组成的。聚电解质刷有一个衬底或基材，聚合物链系在衬底上，就像软鬃毛一样，具有化学性质，这使得这种刷具有许多实际用途。
但聚合物是细的，容易纠结或结块，保持它们像软鬃毛一样伸直，对这些微米刷的功能至关重要。佐治亚理工学院、芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员设计了一项实验，使聚电解质刷毛倒塌，然后从倒塌中恢复。
他们用高灵敏度的原子力显微镜对这一过程进行了详细成像，并构建了与他们的观察结果密切匹配的模拟。来自佐治亚理工学院的首席研究员Blair Brettmann以及该研究的第一作者Jing Yu和来自芝加哥大学的Nicholas Jackson于2017年12月8日在该杂志上发表了他们的研究结果科学的进步．
他们的研究得到了美国能源部、国家科学基金会和阿贡国家实验室的支持。
从人造DNA到润滑剂
研究人员的工作在未来的潜在回报包括工业材料和医药。
例如，聚电解质刷的表面有自己的内置润滑。该研究的负责人布莱尔·布雷特曼(Blair Brettmann)最近从芝加哥大学(University of Chicago)加入了佐治亚理工学院(Georgia Tech)，他说:“如果你把刷子贴在相反的表面上，刷毛相互摩擦，那么它们的摩擦力就会很低，润滑性能也很好。”
聚电解质刷有一天也会被应用到医疗领域。它们的鬃毛已被证明可以模拟DNA并编码简单的蛋白质。其他的刷子可以被设计成可以击退表面上的细菌。一些聚电解质刷已经存在于体内的一些细胞表面。
聚电解质刷可以做很多不同的事情，因为它们可以被设计成很多变种。
布雷特曼是佐治亚理工学院材料科学与工程学院的助理教授，他说:“当你建造刷子时，你有很大的控制权。”“你可以在纳米尺度上控制聚合物链(刷毛)在基材上的间隔距离和长度。”
他们复杂而敏感
尽管聚电解质刷具有巨大的潜力，但它们也很复杂和敏感，需要进行大量的研究来了解如何优化它们。
聚合物链具有正离子和负离子，或电解质，沿其长度交替电荷，因此被称为“聚电解质”。化学家可以使用各种化学成分或单体将聚合物串在一起，并在链上和链下设计细微的电荷模式。
聚电解质刷的复杂性更大:背板和刷毛并不是聚电解质刷的全部。它们浸泡在含有温和电解质的溶液中，从四面八方产生平衡的离子拉力，支撑起鬃毛，而不是让它们崩溃或纠缠在一起。
Brettmann说:“通常这些混合物中有很多其他的东西，所以它的复杂性使它很难从根本上理解，因此很难预测实际应用中的行为。”
入侵的杂质
当其他化学物质进入这些组成聚电解质刷的平衡系统时，它们会使刷毛崩溃。例如，添加非常强大的电解质可以起到一群破坏球的作用。
在他们的实验中，Brettmann和她的同事们使用了一种围绕钇(一种带有强电荷的稀土金属)构建的强离子化合物。(离子的价电子是3。)来自低剂量的钇电解质的离子力使聚合物鬃毛卷曲起来，就像黏黏的意大利面一样。
然后，研究人员增加温和离子的浓度，恢复了支撑，将鬃毛支撑起来。原子力显微镜成像显示高度规则的塌陷和再延伸模式。
这些模式在模拟中得到了很好的反映;离子对坍塌和恢复的影响的可靠性更是如此。能够建立如此精确的模拟反映了化学的强一致性，这对潜在的未来研究和实际应用来说是一个好消息。
无用变得有用
对于鬃毛崩溃可能导致的所有功能障碍，有目的地崩溃它们的能力可能是有用的。布雷特曼说:“如果你能系统地折叠并重新激活刷毛，你就可以调整润滑程度，或者打开和关闭润滑。”
这种刷子还可以通过延伸和收缩刷毛来调节涉及微粒子和纳米颗粒的化学反应。
Brettmann说:“涂料和薄膜通常是通过精心组合工程颗粒制成的，你可以使用这些刷子保持这些颗粒悬浮和分离，直到你准备好让它们相遇、结合并形成产品。”
当聚电解质刷的刷毛伸出来时，它们就像一个屏障一样将颗粒分开。故意把刷毛折开，颗粒就可以聚在一起了。
这是一个肮脏的世界
这些实验是用非常干净、坚固和均匀的化合物进行的，不像自然系统甚至工业系统中可能存在的化学物质的混乱。
“我们使用的刷毛是聚苯乙烯磺酸盐，这是一种非常强的聚电解质，对pH值或其他东西不敏感，”Brettmann说。“例如，多糖等生物聚合物就敏感得多。”
和许多实验一样，这个实验与现实世界的条件不同。但通过为理解这些系统如何工作奠定基础，Brettmann希望最终能够转移到敏感场景，以实现更多聚电解质刷的实际潜力。
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