Nová publikace vysvětluje zajímavé konformační změny polymerního klubka za podmínek elektrostatického zvlákňování

Nová vědecká publikace týmu pracovníků kateder fyziky a chemie PřF UJEP s názvem “Solvent-dependent conformational transitions of poly- and oligo-oxyethylene under strong electric fields: Insights from molecular dynamics simulations” (https://doi.org/10.1016/j.molliq.2025.127362) navazuje na předchozí práci (https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.116622), která pomocí atomistické počítačové simulace odhalila zajímavé chování polymerního klubka v roztocích v silném elektrickém poli, přičemž toto chování je závislé na použitém rozpouštědle. Zatímco ve vodě se polymerní klubko smršťuje ve směrech kolmých na vektor intenzity elektrického pole, v methanolu se klubko smršťuje ve směru rovnoběžném s polem. Nová publikace dále analyzuje toto chování při různých délkách řetězce a vysvětluje jeho původ.

Popsané chování zřejmě souvisí se statistikou vodíkových můstků. Přítomnost polymerního klubka způsobuje přerušení vodíkových vazeb na té straně polymerního klubka, ze které vystupuje vektor intenzity elektrického pole, což má za následek přebytek donorových vazebných center. Tato centra si musejí hledat vazebného partnera mezi ostatními molekulami rozpouštědla. Zatímco ve vodě je drtivá většina akceptorových center nasycena dvěma vodíkovými vazbami, v methanolu má každá molekula v průměru jednu volnou akceptorovou pozici, což umožňuje dodatečné navázání donoru. Ve vodě tedy působí hnací síla, která minimalizuje povrch klubka na té straně, ze které vystupuje vektor intenzity pole, což vede k protáhlému tvaru klubka, kdežto v methanolu tato hnací síla chybí a uplatňuje se zde obecná tendence řetězce orientovat se kolmo na pole, což vede ke sploštělému tvaru klubka.

Objev na rozpouštědle závislých konformačních změn by mohl být důležitý pro technologii electrospinningu, tj. elektrostatického zvlákňování, která spočívá v aplikaci silného elektrického pole na polymerní roztok (popř. taveninu). Povrch zvlákňované kapaliny se při electrospinningu deformuje do tzv. Taylorova kužele, z jehož vrcholu vytryskne kapalný paprsek, který při cestě na sběrnou elektrodu vyschne na polymerní nanovlákno. Na sběrné elektrodě se vlákna postupně vrství a vytvářejí netkanou nanotextilii s mimořádnými vlastnostmi, které se uplatňují v řadě aplikací od filtrace vzduchu po biotechnologie. Výsledky nové publikace ukazují, že se jednotlivá polymerní klubka mohou na hrotu Taylorova kužele, kde je extrémě silné pole, deformovat v závislosti na rozpouštědle, což by mohlo ovlivnit např. mechanické vlastnosti výsledného vlákna.

Dědičová Š., Dočkal J., Jirsák J. and Moučka F., Solvent-dependent conformational transitions of poly- and oligo-oxyethylene under strong electric fields: Insights from molecular dynamics simulations, Journal of Molecular Liquids, Vol. 426, 2025, 127362, ISSN 0167-7322, https://doi.org/10.1016/j.molliq.2025.127362