ЧАСТИЦЫ ГЕЛЯ, КОТОРЫЕ ПОЛЗУТ СКВОЗЬ ТВЁРДЫЙ ЛЁД

Гидрогели — это сети полимерных цепей, пропитанные водой. Они могут сильно набухать и сжиматься и встречаются повсюду: суперабсорбенты, впитывающие разлитую жидкость, гели с лекарством, высвобождающие его с контролируемой скоростью, мягкие роботы, тканевая инженерия, еда, косметика — даже хрящи в наших суставах ведут себя как гидрогель.

Всё это зависит от одного: как вода движется сквозь гель. Его описывают три свойства — проницаемость, жёсткость при сжатии геля и пороупругая диффузия (poroelastic diffusivity), которая определяет, как быстро распространяется набухание. Их, как известно, очень трудно измерить, потому что вода просачивается сквозь гели крайне медленно. Авторы приводят пример: если продавливать воду через гелевую мембрану толщиной 1 мм при разнице давлений 1 килопаскаль, она течёт со скоростью около одного нанометра в секунду. Измерение жёсткости занимает около трёх часов на одну точку данных для образца толщиной 1 мм.

Частицы, которые движутся сквозь лёд

Команда Роберта Стайла из ETH Zurich изготовила частицы геля радиусом от 8 до 14 микрометров — намного меньше песчинки мелкого песка — из распространённого полимера PEGDA. Исследователи вморозили их в тонкую ячейку между двумя медными блоками и наблюдали под микроскопом.

Первый сюрприз: во льду частицы сжимаются. Лёд окружает каждую частицу, но не может проникнуть в её крошечные поры. Вместо этого он вытягивает воду из геля, как это делал бы сухой воздух. Это явление называют криосукцией (cryosuction), и оно сильное: всасывание растёт примерно на 1 мегапаскаль на каждый градус ниже нуля. Между 0 и −2 °C частицы теряют около 20 % радиуса — половину объёма.

Второй сюрприз: когда одна сторона ячейки теплее другой, частицы начинают двигаться сквозь твёрдый лёд к тёплой стороне со скоростью около 0,1 микрометра в секунду, набухая по пути.

Механизм: всасывание сильнее с холодной стороны частицы. Лёд тает с тёплой стороны, вода протекает сквозь гель и снова замерзает с холодной стороны. Этот новый лёд толкает частицу вперёд. Контрольный опыт однозначен: частицы, сквозь которые вода пройти не может, не двигаются вовсе.

Измерительный инструмент

Поскольку скорость определяется тем, насколько легко вода течёт сквозь гель, измерение скорости напрямую даёт проницаемость. А поскольку частицы сжимаются по мере охлаждения, одну-единственную частицу можно измерить при многих разных содержаниях воды.

Скорость пропорциональна градиенту температуры и не зависит от размера частицы, как и предсказывает теория.
Проницаемость падает почти в 100 раз, когда доля полимера растёт с 20 % до 45 %.
Жёсткость в том же диапазоне растёт примерно с 1 до 30 мегапаскалей.
Коэффициент диффузии остаётся почти постоянным, около 1,5 × 10⁻¹⁰ м²/с.
Значения согласуются с немногочисленными существующими измерениями на похожих гелях.

Учебник ошибается

Высокое разрешение позволило команде проверить классические формулы, которые предполагают идеальную однородную полимерную сеть. Они не работают: измеренные зависимости гораздо круче предсказанных. Вероятная причина в том, что реальные гели неоднородны, в них есть крупные и мелкие поры. Когда гель высыхает, первыми схлопываются крупные поры, и гель становится намного менее проницаемым и намного более жёстким, чем была бы идеальная сеть.

Инструмент для реальных гелей

Методу нужны объёмы в пиколитры вместо микролитров, он позволяет измерить один образец при многих содержаниях воды и даёт тысячи точек данных за эксперимент вместо одной. Авторы планируют распространить его на кусочки объёмных гелей — в том числе биологических материалов, — на растворы полимеров и на пористые твёрдые тела и призывают создать новые теории того, как вода движется сквозь реальные гели.