Oddelenie experimentálnej chemickej fyziky

Chemická fyzika je vedný odbor, ktorý využíva fyzikálne metódy na získanie poznatkov o molekulách, ich interakciách, dynamike, atď. Zahŕňa štúdium molekúl od tých najmenších, napríklad vody, po makromolekuly (polyméry) a ich komplexy a systémy (roztoky, suspenzie, gély, taveniny polymérov, atď.). Oblasť chemickej fyziky je veľmi blízka konceptu fyziky mäkkých látok. Toto oddelenie sa venuje hlavne polymérom, supramolekulárnym štruktúram a samo-usporiadaným mezoškálovým štruktúram zloženým z polymérov alebo z nízkomolekulárnych látok. Zatiaľ čo biologické polyméry (nukleové kyseliny, proteíny, polysacharidy) sú neoddeliteľnou súčasťou živých organizmov a na Zemi sú už dlho, syntetické polyméry uzreli svetlo sveta začiatkom 20. storočia. Aj keď bol prvý syntetický polymér (bakelit) uvedený na trh v roku 1907, pojem polymér definovaný ako dlhý reťazec atómov držaných spolu kovalentnými väzbami, sa objavil podstatne neskôr (1920 – Hermann Staudinger, neskôr nositeľ Nobelovej ceny). Skutočný vývoj polymérnej chémie a fyziky nastal oveľa neskôr v 20. storočí (Nobelove ceny – chemici Giulio Natta a Karl Ziegler v r.1963, fyzici Paul Flory v r. 1974 a Pierre-Gilles de Gennes v r. 1991 a fyzikálni chemici Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid a Hideki Shirakawa v r.2000). Polymérne makromolekuly vykazujú kvalitatívne také vlastnosti a správanie, ktoré sa nevyskytujú u malých „klasických“ molekúl. Aj keď sa výskumné štúdie syntetických a biologických polymérov uskutočňovali buď paralelne alebo nezávisle, ukázalo sa, že tieto polyméry vykazujú mnoho spoločných javov a vlastností. Oddelenie sa zameriava najmä na iónové polyméry (polyelektrolyty). Prítomnosť nábojov v týchto molekulách umožňuje rozpustnosť vo vode, ekologické aplikácie a biologické funkcie biopolymérov. Na druhej strane prítomnosť nábojov vedie k silným elektrostatickým interakciám a komplikuje pochopenie ich štruktúry, dynamiky, vlastností, kinetiky polymerizácie, atď.

Makromolekuly a ich systémy (roztoky), najmä v prípade iónových makromolekúl, predstavujú pre fyzikov zložitý mnohočasticový problém. Mnohočasticové kolektívne interakcie nie je možné merať priamo, a preto informácie o štruktúre a dynamike týchto systémov získané experimentálne v našom oddelení prispievajú k poznatkom o nich. V nedávnej minulosti sa nám podarilo preorientovať čiastočne zo základného výskumu aj na aplikácie. Vytvorili sme a patentovali nový mechanizmus tvorby polymérnych nanočastíc s nastaviteľnými parametrami na základe fyzikálnych väzieb (nie chemických reakcií). Polymérne ​​nanočastice nachádzajú uplatnenie v mnohých oblastiach, pričom najdôležitejšou je pravdepodobne cielená doprava liekov a lekárske zobrazovanie.

V súčasnosti sa zameriavame aj na štúdium mezoškálového správania nízkomolekulárnych (nepolymérnych) látok, t.j. správania sa na škálach väčších ako molekulárna, ale menších ako makroskopická. Ukazuje sa, že rozpustnosť v prírode sa dosahuje nielen známym „podobné má rado podobné“ alebo „podobné rozpúšťa podobné” na princípe molekulárnej solvatácie, ale tiež mezoškálovou solubilizáciou nepodobných zlúčenín charakterizovanou tým, že rozpustnosť (homogénna distribúcia v celom objeme systému) sa dosahuje na mezoškálovej úrovni prostredníctvom nanočastíc alebo nanokvapiek, ktorých veľkosť sa zvyčajne pohybuje od desiatok do stoviek nanometrov. Zaujímavou skupinou medzi nízkomolekulárnymi látkami sú v tomto ohľade plyny. Vedecká komunita v súčasnosti vedie živú diskusiu o tom, či môžu existovať stabilné nanobubliny v kvapalinách (nie na rozhraniach a povrchoch) a za akých okolností. Naše oddelenie sa venuje tiež tejto oblasti výskumu. Nanobubliny sú zaujímavé tak z hľadiska základného výskumu, ako aj z hľadiska aplikovaného výskumu (mnoho aplikácií, najmä v oblasti biomedicínskeho zobrazovania).

Hlavné metódy používané v našom oddelení zahŕňajú rozptyl laserového svetla (statický, dynamický a elektroforetický) využívajúci niekoľko vlastností laserového žiarenia, ako sú malé vlnové dĺžky približne stovky nanometrov, monochromatickosť a koherencia. Statický rozptyl poskytuje štrukturálne informácie v rozsahu približne 20 nm až mikrónov, dynamický rozptyl uskutočňovaný vo forme fotónovej korelačnej spektroskopie získava informácie o dynamických procesoch s relaxačnými časmi v rozsahu mnohých rádov (od submikrosekundového rozsahu po sekundy) a nepriamo štrukturálne informácie od 1 nm. Metóda elektroforetického rozptylu sa používa na meranie dynamiky molekúl a nanočastíc v elektrických poliach a poskytuje informácie o nábojoch, ktoré sa kvôli rôznym fyzikálnym účinkom značne líšia od takzvaných chemických nábojov (očakávaných na základe chemickej štruktúry). V koloidnej oblasti poskytuje elektroforetický rozptyl svetla informácie o zeta potenciáloch, ktoré sú rozhodujúce pre koloidnú stabilitu. Uvedené rozptylové metódy v našom oddelení sú doplnené frakcionáciou tokom v asymetrickom tokovom poli s koncentračným detektorom na báze merania indexu lomu a 18-uhlovým detektorom rozptylu svetla. Táto metóda umožňuje meranie podrobných a presných distribúcií veľkosti a hmotnosti komplexných vzoriek obsahujúcich niekoľko druhov makromolekúl alebo častíc. Ďalším prístupom je vizualizácia nanoobjektov pomocou ultramikroskopie a následné stanovenie distribúcie veľkosti pomocou analýzy ich difúzneho pohybu. Unikátna metóda s názvom Inkrementálna centrifugácia spojená s rozptylom svetla bola vyvinutá v našom laboratóriu a je schopná stanoviť hustoty nanočastíc a nanokvapiek neznámeho pôvodu a neznámej koncentrácie.