Hydrożele – molekularne sieci przyszłości

Doświadczenie 1

Zakupiony w kwiaciarni lub sklepie ogrodniczym hydrożel do utrzymywania wilgoci w glebie rozsyp na talerzyku (wystarczy kilka ziarenek). Oceń wielkość ziaren. Zalej je wodą i odstaw na kilka godzin. Oceń ich rozmiar.

Wyjaśnienie: Hydrożele utrzymujące wilgoć (m.in. akrylamidowe lub polimery kwasu akrylowego) chłoną ogromne ilości wody, zwiększając swoje rozmiary nawet kilkaset razy. Nawet ledwie widoczne drobiny po napęcznieniu zamieniają się w miękkie grudki (w przypadku niektórych producentów osiągając średnicę kilku centymetrów). Hydrożele tego typu nie tylko chronią rośliny rosnące w doniczkach lub na polach uprawnych przed przesuszeniem, lecz także pozwalają na prowadzenie kultur hydroponicznych, a zatem bez użycia gleby. Dostępne są także hydrożele do upraw hydroponicznych przeznaczone do użytku domowego, często w postaci kolorowych perełek stopniowo uwalniających nawóz.

Doświadczenie 2

Rozmontuj zakupiony w sklepie odświeżacz powietrza w postaci perełek. Ze strzykawki o pojemności 100 ml wyjmij tłok. Do końcówki wprowadź wysuszone ziarenko hydrożelu i dodaj kilka kropel wody tak, aby hydrożel napęczniał i szczelnie zatkał światło końcówki. Sprawdź szczelność zatyczki, napełniając pojemnik strzykawki wodą. Jeśli jest szczelna, to przebij hydrożel na wylot cienką igłą. Czy po wyjęciu igły woda wycieka ze strzykawki?

Wyjaśnienie: Hydrożele są materiałami samozasklepiającymi się. Po przebiciu ich igłą ścianki powstałego kanału sklejają się, blokując przepływ wody ze zbiornika strzykawki.

Doświadczenie 3

Weź odświeżacz powietrza i wysyp z niego 11 żelowych kulek na papierowy ręcznik. Pozostaw do wyschnięcia na tydzień. Następnie przygotuj 10 kieliszków z wodą i przez 5 godz. co 30 min wrzucaj po jednej kulce do kolejnego z nich. Zapisz czas rozpoczęcia moczenia. Po 5,5 godz. porównaj wielkość poszczególnych kulek.

Wyjaśnienie: Do produkcji odświeżaczy powietrza także wykorzystuje się syntetyczne hydrożele. Rozpuszczone w wodzie związki zapachowe parują, a wraz z utratą wody kulki się kurczą. Gdy są bardzo małe, zmieniają barwę na białą. Po wrzuceniu do wody kulki pęcznieją i zwiększają rozmiary. Im dłużej się moczą, tym większa jest ich średnica.

Doświadczenie 4

Kilka dobrze uwodnionych kulek z odświeżacza powietrza wrzuć na całą noc do pojemnika na mocz z 20 ml 96-procentowego spirytusu. Zaobserwuj, co się stanie.

Wyjaśnienie: Stężony alkohol działa odwadniająco, wyciąga wodę z powierzchniowych warstw hydrożelowej kulki. Dlatego nie zmienia ona za bardzo rozmiaru, ale jej powierzchnia mętnieje. Czasem zewnętrzna odwodniona warstwa pęka i odsłania uwodnione warstwy położone głębiej.

dr hab. Renata Szymańska
Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki AGH

dr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ

***

Zestaw przyrządów i materiałów

96-procentowy spirytus, pojemnik na mocz, odświeżacz powietrza w postaci perełek/ żelowych kulek, 100-mililitrowa strzykawka, igła, hydrożel do kwiatów, ręcznik papierowy

Niewliczone w cenę: kieliszki

Czas przygotowania: 5,5 godz.

Koszt: 35 zł

***

Wiedza w pigułce

Niepozorne hydrożele powstały ponad pół wieku temu, ale zawrotną karierę zrobiły dopiero w ostatnich latach, szturmem podbijając nasze domy. Hydrożelami nazywa się wielkie molekularne sieci zbudowane z niezwykle długich, przyciągających wodę (hydrofilowych) cząsteczek. W odróżnieniu od zwykłej galaretki poszczególne nici kształtujące hydrożelową sieć są połączone (usieciowane) wiązaniami chemicznymi, tworząc oczka. Dzięki temu żel nie rozplata się i nie rozpada pod wpływem czynników fizycznych, np. temperatury. Sieciując zatem żelatynę, np. aldehydem glutarowym, także otrzymamy hydrożel. Biodegradowalne hydrożele można uzyskać również ze skrobi i pektyn, ale trwałe i odpowiednio wytrzymałe powstają w wyniku polimeryzacji syntetycznych składników (np. akrylamidu).

Trwałość hydrożeli pozwala wykorzystać ich najważniejszą zaletę – pochłanianie wody. Hydrożele mogą wchłonąć nawet tysiąckrotnie więcej cieczy, niż same ważą, spektakularnie zwiększając swoją objętość. Dlatego sprawdzają się jako wypełnienia pieluch i tamponów. Dodane do gleby mogą stanowić jej rezerwuar dla roślin narażonych na okresy suszy. Ten cud inżynierii materiałowej wykorzystuje się też jako opatrunki, które chłonąc wodę, wypełniają i zabezpieczają ranę, zapewniając przy tym wilgotne środowisko, sprzyjające naprawie tkanek. Dodatkowo w hydrożelu można uwięzić substancje bakteriobójcze, które będą powoli uwalniać się i chronić przed zakażeniem. Wiązanie leków pozwala tworzyć m.in. preparaty wchłaniane z przewodu pokarmowego (zwłaszcza że hydrożele chronią farmaceutyki np. przed kwasem solnym w żołądku). Powolne uwalnianie związków zapachowych z hydrożelowych kulek wykorzystujemy w łazienkowych odświeżaczach powietrza. Z hydrożeli wykonuje się także soczewki kontaktowe. Hydrożelowe implanty spełniają marzenia o większym biuście, ale także tworzą biodegradowalne, wytrzymałe mechanicznie wypełnienia ubytków chrząstek lub kości, pozwalając na ich regenerację. Nadają się nawet do produkcji sztucznego śniegu. A naukowcy hydrożele wykorzystują m.in. do rozdzielania białek.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.