KATI BUZUN İÇİNDE SÜRÜNEN JEL TANECİKLERİ

Hidrojeller, suya doymuş polimer zincirlerinden oluşan ağlardır. Çarpıcı biçimde şişip büzülebilirler ve her yerdedirler: dökülen sıvıları emen süper emiciler, ilacını kontrollü bir hızla salan ilaç yüklü jeller, yumuşak robotlar, doku mühendisliği, gıda, kozmetik — eklemlerimizdeki kıkırdak bile bir hidrojel gibi davranır.

Bunların hepsi tek bir şeye bağlıdır: suyun jelin içinde nasıl hareket ettiğine. Bunu üç özellik tanımlar — geçirgenlik, jel sıkıştırıldığındaki sertlik, ve şişmenin ne kadar hızlı yayıldığını belirleyen poroelastik difüzivite. Bunları ölçmek bilinen bir baş ağrısıdır, çünkü su jellerin içinde son derece yavaş sürünür. Yazarlar bir örnek veriyor: 1 mm’lik bir jel zarından 1 kilopaskallık bir basınç farkıyla su itildiğinde, su saniyede yaklaşık bir nanometre hızla akar. Sertliği ölçmek ise 1 mm’lik bir örnekte veri noktası başına yaklaşık üç saat sürer.

Buzun içinde hareket eden tanecikler

ETH Zürih’te Robert Style’ın ekibi, yaygın bir polimer olan PEGDA’dan, yarıçapı 8 ila 14 mikrometre olan jel parçacıkları üretti — ince bir kum tanesinden çok daha küçük. Bunları iki bakır blok arasındaki ince bir hücrede dondurdular ve mikroskop altında izlediler.

İlk sürpriz: buzun içinde tanecikler büzülüyor. Buz her taneciği sarar ama küçücük gözeneklerine giremez. Bunun yerine, tıpkı kuru havanın yapacağı gibi, jelden suyu çeker. Buna kriyoemme (cryosuction) denir ve güçlüdür: emme kuvveti sıfırın altındaki her derece için yaklaşık 1 megapaskal artar. 0 ile −2 °C arasında tanecikler yarıçaplarının yaklaşık %20’sini — hacimlerinin yarısını — kaybeder.

İkinci sürpriz: hücrenin bir tarafı diğerinden daha sıcak olduğunda, tanecikler saniyede yaklaşık 0,1 mikrometre hızla katı buzun içinde sıcak tarafa doğru hareket etmeye başlar ve ilerledikçe şişer.

Mekanizma şöyle: emme, taneciğin soğuk tarafında daha güçlüdür. Buz sıcak tarafta erir, su jelin içinden akar ve soğuk tarafta yeniden donar. Bu yeni buz taneciği ileri iter. Kontrol deneyi net: suyun içinden geçemediği parçacıklar hiç hareket etmiyor.

Bir ölçüm aracı

Hızı, suyun jelin içinden ne kadar kolay aktığı belirlediğinden, hızı ölçmek doğrudan geçirgenliği verir. Ve tanecikler soğudukça büzüldüğünden, tek bir tanecik birçok farklı su içeriğinde ölçülebilir.

Hız, kuramın öngördüğü gibi sıcaklık gradyanıyla orantılı ve tanecik boyutundan bağımsız.
Polimer oranı %20’den %45’e çıktıkça geçirgenlik neredeyse 100 kat düşüyor.
Aynı aralıkta sertlik yaklaşık 1’den yaklaşık 30 megapaskala yükseliyor.
Difüzivite neredeyse sabit kalıyor, yaklaşık 1,5 × 10⁻¹⁰ m²/s civarında.
Değerler, benzer jeller üzerinde yapılmış az sayıdaki mevcut ölçümle uyumlu.

Ders kitabı yanılıyor

Yüksek çözünürlük, ekibin ideal ve düzgün bir polimer ağı varsayan klasik formülleri sınamasına olanak verdi. Formüller işe yaramıyor: ölçülen eğilimler öngörülenden çok daha dik. Olası neden, gerçek jellerin düzensiz olması; büyük ve küçük gözenekler içermeleri. Jel kuruduğunda önce büyük gözenekler çöker; bu da jeli ideal bir ağın olacağından çok daha az geçirgen ve çok daha sert yapar.

Gerçek jeller için bir araç

Yöntem mikrolitre yerine yalnızca pikolitre hacimlere ihtiyaç duyuyor, tek bir örneği birçok su içeriğinde ölçüyor ve deney başına bir yerine binlerce veri noktası sağlıyor. Yazarlar yöntemi kütle jellerden alınmış parçalara — biyolojik malzemeler dahil —, polimer çözeltilerine ve gözenekli katılara genişletmeyi planlıyor ve suyun gerçek jellerin içinde nasıl hareket ettiğine dair yeni kuramlar çağrısında bulunuyor.