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La curiosa relación entre polímeros y disolventes: ¿cómo afecta la solubilidad en diferentes rangos de temperatura?
En la ciencia de los polímeros, la solubilidad es la base de muchas aplicaciones importantes, especialmente en áreas como la ciencia textil, médica y de materiales. El comportamiento de las soluciones poliméricas cambia en función de la temperatura, un fenómeno que se vuelve aún más evidente cuando se habla de la temperatura crítica más baja de la solución (LCST). LCST es un parámetro importante que indica la temperatura a la que los componentes de una mezcla son completamente miscibles en todas las proporciones. Una vez que la temperatura supere este punto crítico, se producirá insolubilidad local.
El comportamiento de fases en soluciones poliméricas es una propiedad importante en el desarrollo y diseño de la mayoría de los procesos relacionados con polímeros.
Algunos polímeros exhiben miscibilidad completa en soluciones acuosas. Para tales polímeros, como la poli(N-isopropilacrilamida), el cambio de fase generalmente ocurre a 32 °C (90 °F), pero en la práctica la temperatura de cambio de fase puede desviarse. de 5 a 10°C dependiendo de la concentración del polímero, la masa molar de la cadena y otros factores. Esto muestra que las características estructurales del polímero y sus aditivos, como sales o proteínas, pueden cambiar significativamente la temperatura del punto de enturbiamiento, o LCST.
Los factores físicos hacen que LCST sea único, principalmente debido al factor de cambio de entropía de la mezcla.
Por lo tanto, este es un valor anómalo porque normalmente la entropía impulsa la mezcla, ya que el proceso de mezcla aumenta el volumen disponible para cada componente.Por debajo del LCST, la mezcla es espontánea, lo que significa que el cambio de energía libre (ΔG) es negativo, mientras que por encima del LCST este valor se vuelve positivo.
Teóricamente, el modelo LCST se puede describir mediante un modelo de fluido reticular. Este modelo es una extensión de la teoría de soluciones de Flory-Huggins, teniendo en cuenta los efectos de densidad y compresibilidad. La última extensión de la teoría de Flory-Huggins permite la observación de los fenómenos LCST simplemente considerando la correlación geométrica y las interacciones de correlación entre soluto y disolvente.
También hay muchas formas de predecir LCST. El primer tipo de método se propone basándose en datos experimentales y tiene una base teórica fija, que requiere el ajuste de parámetros desconocidos. La otra es utilizar ecuaciones empíricas para relacionar LCST a través de propiedades físicas y químicas (como densidad, propiedades críticas). Sin embargo, este método no puede obtener los datos requeridos en algunos casos.
Recientemente, Liu y Zhong propusieron un modelo lineal basado en el índice de conexión molecular. Este método muestra una buena capacidad de predicción y se espera que se puedan obtener algunos datos importantes mediante el cálculo antes de los experimentos. Además, el modelo QSPR (relación estructura-actividad/propiedad cuantificada) existente puede reducir eficazmente el costo de prueba y error, lo que permite a los investigadores hacer predicciones relativamente confiables del LCST de las soluciones poliméricas antes de la síntesis real, lo que tiene grandes implicaciones para el diseño de materiales. gran significado.
Actualmente, más de 70 polímeros no iónicos han mostrado un comportamiento LCST en soluciones acuosas, lo que es una gran inspiración para el diseño de nuevos polímeros.
A medida que avance la ciencia, la relación entre polímeros y disolventes seguirá recibiendo atención. Los investigadores continúan explorando nuevos sistemas poliméricos y sus comportamientos de solubilidad, y es posible que en el futuro se vinculen más aplicaciones a estos resultados de investigación. Entonces, ¿cómo podemos utilizar este conocimiento para diseñar mejores materiales en futuras investigaciones científicas?
