ŻELE POLIMEROWE
(POLYMER GELS)

Żele polimerowe należą do grupy materiałów inteligentnych zmieniających wielkość.

Zele polimerowe

Są to substancje, które przy wzroście temperatury kurczą się, podczas gdy przy ochłodzeniu rozszerzają się. Żele polimerowe posiadają cechy zarówno ciał stałych jak i cieczy.

Większość powszechnie znanych i stosowanych polimerów zbudowana jest z cząsteczek o liniowej strukturze. Ich kształt można przybliżyć modelem długiej nici, często silnie skłębionej, szczególnie w roztworze lub amorficznej fazie skondensowanej. Taka struktura polimeru decyduje o większości jego właściwości, zarówno fizycznych, szczególnie mechanicznych, jak i chemicznych.

Metodą szczepienia (reakcji polimeryzacji, prowadzącej do tego, że na liniowym łańcuchu - "grzbiecie" - rosną poprzeczne łańcuchy, "zęby") można otrzymać  grzebieniowe, a przez powtórne szczepienie "drzewiaste" hiperrozgałęzione polimery 2,3-epoksypropanolu o znacznym stopniu rozgałęzień (około 80%) i masach molowych sięgających dwóch milionów.

Przez połączenie metod polimeryzacji rodnikowej z przeniesieniem atomu (takiej metody polimeryzacji rodnikowej, która - inaczej niż klasyczna - pozwala sterować masami molowymi) i żyjącej polimeryzacji anionowej otrzymano także polimery o kształcie gwiazd z silnie hydrofobowym rdzeniem i hydrofilową, reaktywną powłoką polieterową utworzoną z 12 do 30 ramion. Rdzeń takiej struktury oddziaływuje z rozpuszczalnikami inaczej niż powłoka.

Mnożenie centrów aktywnych w polimeryzacji 2,3-epoksypropanolu-1 wykorzystano do syntezy silnie i regularnie rozgałęzionych, dobrze zdefiniowanych polimerów tlenku etylenu o strukturze pomponu. Makrocząsteczki takie są bardzo regularnie rozgałęzione, ich masy mogą sięgać 400000 g/mol.

Makrocząsteczki takie zawierają znaczną liczbę reaktywnych grup funkcyjnych. Hydrofobowa modyfikacja tych grup (wprowadzenie do makrocząsteczki elementów "nie lubiących" wody) prowadzi do polimerów, które rozpuszczają się w wodzie tylko poniżej pewnej temperatury, a po jej przekroczeniu wytrącają się z roztworu. Tak otrzymuje się sieci polimerowe (żele), kurczące się, gdy je ogrzać i rozszerzające się przy ochłodzeniu.

Zdjęcie makrocząsteczki żelu polimerowego wykonane pod mikroskopem

Rozbudowane sieci polimerowe posiadają pewne cechy sprężystości. Pojedyncze łańcuchy przecinających się struktur tworzą jedną wielką makrocząsteczkę, wykazującą makroskopowe właściwości sprężyste. Stosuje się wzory, dzięki którym można określić zależność pomiędzy naprężeniem a odkształceniem takiego materiału.

W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie polimerowymi żelami reagującymi na bodźce zewnętrzne. Podlegają one gwałtownym zmianom objętości (pęcznieją) pod wpływem takich czynników jak: skład rozpuszczalnika, pH, temperatura, pole elektryczne, promieniowanie świetlne.

Żele polimerowe mogą być wykorzystane do konstrukcji nanourządzeń: czujników i członów wykonawczych. Nowe żele inteligentne zdolne są do niewymuszonych, periodycznych oscylacji przypominających bicie serca.

Sieci polimerowe i żele są ważnymi materiałami stosowanymi w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym i spożywczym. W ostatnich latach badania tych substancji przyniosły dużo informacji o ich własnościach fizycznych i chemicznych, ale jeszcze wiele aspektów nie jest jeszcze wyjaśnionych.