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Los datos experimentales validan la nueva teoría de la difusión molecular en matrices poliméricas

Los datos experimentales validan la nueva teoría de la difusión molecular en matrices poliméricas | Noticias de Buenaventura, Colombia y el Mundo

Crédito: Unsplash/CC0 Dominio público

Después de varios años de desarrollar las ideas teóricas, los investigadores de Urbana-Champaign de la Universidad de Illinois han validado múltiples predicciones novedosas sobre el mecanismo fundamental del transporte de átomos y moléculas (penetrantes) en matrices líquidas poliméricas y moleculares químicamente complejas.

El estudio del Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MatSE) Ken Schweizer y el Dr. Baicheng Mei, publicado recientemente en Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), amplió la teoría y la probó contra una gran cantidad de datos experimentales. El profesor asociado de MatSE, Chris Evans, y el estudiante de posgrado Grant Sheridan colaboraron en esta investigación proporcionando mediciones experimentales adicionales.

«Desarrollamos una teoría avanzada y de vanguardia para predecir cómo se mueven las moléculas a través de medios complejos, especialmente en polímeros líquidos», dijo Schweizer. «La teoría abstrajo cuáles son las características importantes de las moléculas químicamente complejas y del medio polimérico por el que se mueven que controlan su tasa de transporte».

La difusión de penetrantes en matrices poliméricas tiene amplias aplicaciones, incluidas las separaciones de membrana, los revestimientos de barrera, la administración de fármacos y la autocuración. Sin embargo, controlar la tasa de transporte de penetrantes a través de estas matrices utilizadas en aplicaciones de materiales es un proceso complicado. La velocidad con la que se mueven las moléculas a través de un material puede variar en 15 órdenes de magnitud dependiendo de varias características de la molécula y la matriz, sobre todo el tamaño de la molécula y la temperatura.

Después de que se desarrolló la teoría, el equipo revisó la literatura para encontrar la mayor cantidad posible de datos experimentales para varios pares de matriz penetrante. Estaban buscando conjuntos de datos con el rango más amplio de temperatura para probar sus predicciones: desde altas temperaturas donde los polímeros son gomosos, hasta bajas temperaturas donde los polímeros finalmente se vitrifican en un vidrio sólido, y para penetrantes de estructuras químicas muy diferentes en diversos polímeros y matrices moleculares. Se analizaron un total de 17 conjuntos de datos, y Schweizer dice: «Encontramos pruebas muy sólidas de las nuevas ideas de la teoría».

Cambiar la temperatura incluso en un 30% puede cambiar la difusividad de las moléculas penetrantes en 10 órdenes de magnitud. A medida que se reduce la temperatura, la difusión se vuelve cada vez más lenta y, en última instancia, de una manera cualitativamente más rápida que depende de la naturaleza molecular del penetrante y la matriz polimérica.

Schweizer explica: «Cuando la molécula es pequeña y/o la temperatura es alta, la influencia de su entorno en su movimiento es más simple y siente mucha menos resistencia. Pero cuando la molécula crece lo suficiente, especialmente en condiciones suficientemente frías, efectivamente debe empujar más del material circundante fuera del camino, y se vuelve mucho más difícil de mover. Y eso cambia completamente la dependencia de la temperatura, de una manera que amplifica fuertemente las diferencias en la tasa de transporte de diferentes moléculas que pueden aprovecharse para diseñar membranas poliméricas más selectivas».

Cada par de matriz polimérica y penetrante tiene su propia huella dactilar para la velocidad a la que se puede mover la molécula, y pequeños cambios de temperatura o tamaño del penetrante pueden generar cambios enormes en la velocidad de movimiento de la molécula. De este resultado, Schweizer dice: «Es un fenómeno experimental espectacular».

Después de validar esta teoría, «lo que surge no es solo una explicación de los datos existentes, sino una forma de pensar en la síntesis de nuevas moléculas o nuevos materiales poliméricos con una tasa de transporte dependiente de la temperatura adaptada. Es como ingeniería inversa», Schweizer. concluyó.

Más información:
Baicheng Mei et al, Elucidación de los factores físicos que controlan el transporte activado de penetrantes en líquidos formadores de vidrio químicamente complejos, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2210094119

Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois


Citación: Los datos experimentales validan la nueva teoría para la difusión molecular en matrices poliméricas (9 de noviembre de 2022) consultado el 9 de noviembre de 2022 en https://phys.org/news/2022-11-experimental-validates-theory-molecular-diffusion.html

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