濃縮PNIPAMマイクロゲルにおける体積相転移の原子スケールでの研究

Atomic scale investigation of the volume phase transition in concentrated PNIPAM microgels.

• M Zanatta
• L Tavagnacco
• E Buratti
• E Chiessi
• F Natali
• M Bertoldo
• A Orecchini
• E Zaccarelli

抄録

中性子弾性非干渉性散乱と示差走査熱量測定を組み合わせて、高濃度ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド) (PNIPAM)マイクロゲル懸濁液中の体積相転移(VPT)の発生を、ポリマー重量分率30wt.サンプルは巨視的なスケールで停止していますが、原子の自由度は平衡化されており、再現性のある方法でプローブすることができます。中性子散乱によって得られたPNIPAM水素原子の平均二乗変位の急激な低下として、VPTの明確なシグネチャが存在する。濃度の関数として、VPTは乾燥条件に近づくにつれて滑らかになるが、VPT温度は約43wt.この挙動は熱量測定により定性的に確認された。分子動力学シミュレーションを用いて実験結果を補完し、VPTの性質をさらに深く理解することで、VPTがマイクロゲル間での魅力的なゲル状態の形成に関与していることを確認した。これらの結果から、PNIPAMをベースとしたシステムにおけるVPTは、異なる時間スケール、長さスケール、過密条件下でも検出可能であることが明らかになった。

Combining elastic incoherent neutron scattering and differential scanning calorimetry, we investigate the occurrence of the volume phase transition (VPT) in very concentrated poly-(N-isopropyl-acrylamide) (PNIPAM) microgel suspensions, from a polymer weight fraction of 30 wt. % up to dry conditions. Although samples are arrested at the macroscopic scale, atomic degrees of freedom are equilibrated and can be probed in a reproducible way. A clear signature of the VPT is present as a sharp drop in the mean square displacement of PNIPAM hydrogen atoms obtained by neutron scattering. As a function of concentration, the VPT gets smoother as dry conditions are approached, whereas the VPT temperature shows a minimum at about 43 wt. %. This behavior is qualitatively confirmed by calorimetry measurements. Molecular dynamics simulations are employed to complement experimental results and gain further insights into the nature of the VPT, confirming that it involves the formation of an attractive gel state between the microgels. Overall, these results provide evidence that the VPT in PNIPAM-based systems can be detected at different time- and length-scales as well as under overcrowded conditions.