Molecular investigation of polyelectrolyte hydrogel under mechanical deformation

Polielektrolit hidrojeller, mekanik deforme olduklarında elektrik potansiyeli üretebilen etkileyici malzemelerdir. Genellikle karşı iyon seviyelerinin yoğunlaşmasındaki değişime veya hidrojelin nüfuz eden hacmindeki iyonik koşulların değişimine atfedilse de, bu fenomenin kesin moleküler kökenleri hala bilinmemektedir. Model sistemimiz, all-atom moleküler dinamik simülasyonlarını kullanarak bu olağanüstü davranışı araştırmak için belirgin bir polar çözücüye daldırılmış bir poliakrilik asit (PAA) hidrojel kullanilmaktadir. Hesaplamalı çalışmamızda, PAA polielektrolit hidrojelinin tek eksenli mekanik sıkıştırma ve uzamaya maruz kaldığında zayıftan çok şişmişe (yani, \%60 ila \%90 solvent içeriği) tepkisi incelenmektedir. Birincil amacımız, mikroskobik düzeyde farklı deformasyonlardaki yoğunlaşmış karşıt iyonları hesaplamaktır. PAA hidrojeli tek eksenli olarak sıkıştırıldığında veya gerildiğinde, karşı iyon yoğunlaşmasının, mekanik olarak deforme edildiğinde toplam karşı iyon yoğunlaşmasında genel bir artışla oldukça monoton olmayan bir davranış sergilediği görülmektedir. Ancak, bu etki, karşı iyonların önemli bir kısmının polielektrolit polimer üzerinde zaten yoğunlaşmış olması gerçeğinden dolayı, zayıf şekilde şişmiş jel için azalır. Daha yakından incelendiğinde, hidrojeldeki gerilmiş zincirler boyunca karşı iyon yoğunlaşmasının arttığını bulunmaktadir. Bu artış, belirli deformasyon orantılar için maksimum değere ulaşır, bundan sonra hidrojel zincirleri daha fazla gerildiğinde karşı iyon yoğunlaşmasında bir azalma gözlemlenmektedir. Öte yandan, hidrojel sıkıştırıldığında ve zincirler çökmüş durumdayken, karşı iyon yoğunlaşmada çok az bir artış görülmektedir. Tekli polielektrolit zincirlerini analiz edildiğinde, niteliksel olarak benzer tepki sergilediğini gözlenmektedir. Bu gözlem, polimer zincir yapılarının jeldeki karşı iyonların dağılımını etkilediğine dair bir fikir verilmektedir. Kritik konsantrasyon seviyelerinde polielektrolit çözeltileri için karşı iyon yoğuşma davranışı daha fazla araştırıldı ve deformasyona bağlı karşı iyon yoğuşması gözlemlenmemektedir. Bu, polielektrolit zincir uçlarını sınırlayan ve gözlemlenen davranışa yol açan hidrojel topolojisinin önemini ortaya koymaktadır. Bu kapsamlı moleküler dinamik simülasyonları, hidrojel deforme olduğunda zengin bir elektrostatik tepki davranışı göstererek, karşı iyon yoğunlaşmasının ilginç ve heterojen davranışına ışık tutmaktadır. Bu bulgular, mekanik olarak deforme olmuş polielektrolit hidrojellerin temel davranışının anlaşılmasına önemli ölçüde katkıda bulunmaktadır.