מה ההשפעה של הטמפרטורה על המסיסות של אתר התאית?

מסיסות המים של אתר התאית שהשתנה מושפעת מהטמפרטורה. באופן כללי, מרבית האתרים התאית מסיסים במים בטמפרטורות נמוכות. כאשר הטמפרטורה עולה, המסיסות שלהם הופכת בהדרגה לקויה ובסופו של דבר הופכת לבלתי מסיסה. טמפרטורת פתרון קריטית נמוכה יותר (LCST: טמפרטורת פתרון קריטית נמוכה יותר) היא פרמטר חשוב לאפיין את שינוי המסיסות של אתר התאית כאשר הטמפרטורה משתנה, כלומר מעל טמפרטורת הפתרון הקריטית התחתונה, אתר התאית אינו מסיס במים.

חימום של תמיסות מתיל -סלולוזה מימיות נחקר והמנגנון של שינוי המסיסות הוסבר. כאמור, כאשר תמיסת המתיל -סלולוזה נמצאת בטמפרטורה נמוכה, המקרומולקולות מוקפות במולקולות מים ליצירת מבנה כלוב. החום המופעל על ידי עליית הטמפרטורה ישבור את קשר המימן בין מולקולת המים למולקולת ה- MC, המבנה הסופרמולקולרי דמוי הכלוב ייהרס, ומולקולת המים תשוחרר מהקשירה של קשר המימן כדי להפוך למולקולת מים חופשית, ואילו המתיל הידרופובית מתילית על שרשרת המקרומולקולרית התאיתית, מה שמאפשר את זה, מה שמאפשר את זה אפשרי זה אפשרי. הידרוקסיפרופיל מתיל -סלולוזה הנגרמת על ידי הידרוג'ל. אם קבוצות המתיל באותה שרשרת מולקולרית קשורות להידרופובית, אינטראקציה אינטרמולקולרית זו תגרום למולקולה כולה להראות מפותלת. עם זאת, עליית הטמפרטורה תעצים את תנועת קטע השרשרת, האינטראקציה ההידרופובית במולקולה לא תהיה יציבה, והשרשרת המולקולרית תשתנה ממצב מפותל למצב מורחב. בשלב זה, האינטראקציה ההידרופובית בין מולקולות מתחילה לשלוט. כאשר הטמפרטורה עולה בהדרגה, יותר ויותר קשרי מימן נשברים, ויותר ויותר מולקולות אתר תאית מופרדות ממבנה הכלוב, ומקרומולקולות הקרובות יותר זה לזה מתכנסות יחד באמצעות אינטראקציות הידרופוביות ליצירת מצטבר הידרופובי. עם עלייה נוספת בטמפרטורה, בסופו של דבר כל קשרי המימן נשברים, והקשר ההידרופובי שלו מגיע למקסימום, ומגדיל את מספר וגודל האגרגטים ההידרופוביים. במהלך תהליך זה, מתיל -סלולוזה הופכת לבלתי מסיסה בהדרגה ובסופו של דבר בלתי מסיסה לחלוטין במים. כאשר הטמפרטורה עולה עד לנקודה בה נוצר מבנה רשת תלת ממדי בין מקרומולקולות, נראה שהוא יוצר ג'ל מקרוסקופית.

ג'ון גאו וג'ורג 'היידר ואח' חקרו את השפעת הטמפרטורה של תמיסה מימית הידרוקסיפרופיל תאית באמצעות פיזור אור, והציעו כי טמפרטורת הפיתרון הקריטית התחתונה של תאית הידרוקסיפרופיל היא בערך 410C. בטמפרטורה נמוכה מ- 390C, השרשרת המולקולרית היחידה של תאית הידרוקסיפרופיל היא במצב מפותל באופן אקראי, והתפלגות הרדיוס ההידרודינמי של המולקולות רחבה, ואין צבירה בין מקרומולקולות. כאשר הטמפרטורה מוגברת ל 390C, האינטראקציה ההידרופובית בין השרשראות המולקולריות מתחזקת, המקרומולקולות מצטברות, ומסיסות המים של הפולימר הופכת לקויה. עם זאת, בטמפרטורה זו, רק חלק קטן ממולקולות התאית הידרוקסיפרופיליות מהוות כמה אגרגטים רופפים המכילים רק שרשראות מולקולריות בודדות, בעוד שרוב המולקולות עדיין נמצאות במצב של שרשראות בודדות מפוזרות. כאשר הטמפרטורה עולה ל -400 צלזיוס, יותר מקרומולקולות משתתפות בהיווצרות אגרגטים, והמסיסות הופכת לחמיר יותר וחמור, אך בשלב זה מולקולות מסוימות עדיין במצב של שרשראות בודדות. כאשר הטמפרטורה נמצאת בטווח של 410C-440C, בגלל ההשפעה ההידרופובית החזקה בטמפרטורות גבוהות יותר, יותר מולקולות מתכנסות ליצירת חלקיקים גדולים וצפופים יותר עם תפוצה אחידה יחסית. הגבהים נעשים גדולים וצפופים יותר. היווצרותם של אגרגטים הידרופוביים אלה מובילה להיווצרות אזורים בריכוז גבוה ונמוך של פולימר בתמיסה, מה שנקרא הפרדת פאזה מיקרוסקופית.

יש לציין כי אגרגטי הננו -חלקיקים נמצאים במצב יציב קינטי, ולא במצב יציב תרמודינמית. הסיבה לכך היא שלמרות שמבנה הכלוב הראשוני נהרס, עדיין קיים קשר מימן חזק בין קבוצת ההידרוקסיל ההידרופילית למולקולת המים, המונעת קבוצות הידרופוביות כמו מתיל והידרוקסיפרופיל משילוב בין. אגרגטי הננו -חלקיקים הגיעו לשיווי משקל דינאמי ומצב יציב תחת השפעת המפרק של שתי ההשפעות.

בנוסף, המחקר מצא כי לקצב החימום יש גם השפעה על היווצרות חלקיקים מצטברים. בקצב חימום מהיר יותר, הצטברות השרשראות המולקולריות מהירה יותר, וגודל חלקיקי הננו הנוצרים קטן יותר; וכאשר קצב החימום איטי יותר, למקרומולקולות יש יותר הזדמנויות ליצור אגרגטים ננו-חלקיקים גדולים יותר.