NHỮNG HẠT GEL BÒ XUYÊN QUA BĂNG RẮN

Hydrogel là mạng lưới các chuỗi polyme thấm đẫm nước. Chúng có thể trương nở và co lại rất mạnh, và có mặt ở khắp nơi: vật liệu siêu thấm hút chất lỏng bị đổ, gel chứa thuốc giải phóng dược chất với tốc độ được kiểm soát, robot mềm, kỹ thuật mô, thực phẩm, mỹ phẩm — ngay cả sụn trong các khớp của chúng ta cũng hoạt động như một loại gel.

Tất cả những điều này phụ thuộc vào một yếu tố: nước di chuyển qua gel như thế nào. Ba tính chất mô tả điều đó — độ thấm, độ cứng khi gel bị nén, và hệ số khuếch tán đàn hồi xốp (poroelastic diffusivity), quyết định tốc độ lan truyền của sự trương nở. Chúng nổi tiếng là khó đo, vì nước bò qua gel cực kỳ chậm. Các tác giả đưa ra một ví dụ: đẩy nước qua một màng gel dày 1 mm với chênh lệch áp suất 1 kilopascal, nước chảy với tốc độ khoảng một nanomet mỗi giây. Đo độ cứng trên một mẫu 1 mm mất khoảng ba giờ cho mỗi điểm dữ liệu.

Những hạt di chuyển xuyên qua băng

Nhóm của Robert Style tại ETH Zurich đã chế tạo các hạt gel có bán kính 8 đến 14 micromet — nhỏ hơn nhiều so với một hạt cát mịn — từ một polyme phổ biến là PEGDA. Họ đông lạnh chúng trong một buồng mỏng kẹp giữa hai khối đồng và quan sát dưới kính hiển vi.

Bất ngờ thứ nhất: trong băng, các hạt co lại. Băng bao quanh mỗi hạt nhưng không thể len vào các lỗ xốp tí hon của nó. Thay vào đó, nó kéo nước ra khỏi gel, giống như không khí khô. Hiện tượng này gọi là hút đông lạnh (cryosuction), và nó rất mạnh: lực hút tăng khoảng 1 megapascal cho mỗi độ dưới không. Từ 0 đến −2 °C, các hạt mất khoảng 20 % bán kính — tức một nửa thể tích.

Bất ngờ thứ hai: khi một phía của buồng ấm hơn phía kia, các hạt bắt đầu di chuyển xuyên qua băng rắn, về phía bên ấm, với tốc độ khoảng 0,1 micromet mỗi giây, vừa đi vừa trương nở.

Cơ chế: lực hút mạnh hơn ở phía lạnh của hạt. Băng tan ở phía ấm, nước chảy qua gel và đông lại ở phía lạnh. Lớp băng mới đó đẩy hạt về phía trước. Thí nghiệm đối chứng rất rõ ràng: những hạt mà nước không thể đi qua thì hoàn toàn không di chuyển.

Một công cụ đo

Vì tốc độ được quyết định bởi mức độ dễ dàng mà nước chảy qua gel, nên đo tốc độ là trực tiếp có được độ thấm. Và vì các hạt co lại khi lạnh hơn, chỉ một hạt duy nhất cũng có thể được đo ở nhiều hàm lượng nước khác nhau.

• Tốc độ tỉ lệ với gradient nhiệt độ và không phụ thuộc vào kích thước hạt, đúng như lý thuyết dự đoán.
• Độ thấm giảm gần 100 lần khi tỉ lệ polyme tăng từ 20 % lên 45 %.
• Độ cứng tăng từ khoảng 1 lên khoảng 30 megapascal trong cùng khoảng đó.
• Hệ số khuếch tán gần như không đổi, ở mức khoảng 1,5 × 10⁻¹⁰ m²/s.
• Các giá trị này khớp với số ít phép đo hiện có trên những loại gel tương tự.

Sách giáo khoa đã sai

Độ phân giải cao cho phép nhóm kiểm tra các công thức kinh điển, vốn giả định một mạng polyme lý tưởng, đồng đều. Chúng không đúng: các xu hướng đo được dốc hơn nhiều so với dự đoán. Lý do có thể là gel thực không đồng đều, có cả lỗ lớn và lỗ nhỏ. Khi gel khô đi, các lỗ lớn sập trước, khiến nó kém thấm hơn và cứng hơn nhiều so với một mạng lý tưởng.

Một công cụ cho gel thực

Phương pháp chỉ cần thể tích cỡ picolit thay vì microlit, đo một mẫu duy nhất ở nhiều hàm lượng nước, và cho ra hàng nghìn điểm dữ liệu mỗi thí nghiệm thay vì một. Các tác giả dự định mở rộng nó sang các mẩu gel khối — kể cả vật liệu sinh học — sang dung dịch polyme và chất rắn xốp, đồng thời kêu gọi những lý thuyết mới về cách nước di chuyển qua gel thực.