Ανάπτυξη και μελέτη πολυμερικών συστημάτων με ελεγχόμενες ιδιότητες
Authors: Τζουμάνη Ιωάννα 
Published: February 2025

Η συνεχής τεχνολογική εξέλιξη και οι μεταβαλλόμενες απαιτήσεις της σύγχρονης κοινωνίας έχουν αναδείξει την ανάγκη για υλικά με ειδικές και προσαρμοσμένες ιδιότητες. Τα συμβατικά πολυμερή, αν και αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας, αδυνατούν να καλύψουν τις αυξανόμενες απαιτήσεις για προσαρμοστικότητα, βιωσιμότητα και εξειδικευμένες λειτουργίες. Ως αποτέλεσμα, το πεδίο της επιστήμης των πολυμερών βρίσκεται σε συνεχή ανάπτυξη για την παραγωγή λειτουργικών πολυμερών με καλύτερη απόδοση, βελτιωμένο περιβαλλοντικό προφίλ και χαμηλότερο συνολικό κόστος. Για παράδειγμα, η ανάπτυξη λειτουργικών πολυμερικών υλικών έχει αναδειχθεί ως μια καινοτόμος προσέγγιση για την επίλυση σύνθετων προκλήσεων σε τομείς όπως η υγεία, το περιβάλλον και η τεχνολογία. Σε αυτό το πλαίσιο, τα αυτοϊάσιμα πολυμερή, τα οποία έχουν την ικανότητα να αποκαθιστούν μηχανικές βλάβες και να αποτρέπουν την υποβάθμιση των υλικών με την πάροδο του χρόνου, προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη λύση, καθώς μειώνουν τα απόβλητα και παρατείνουν τη διάρκεια ζωής και τη λειτουργικότητα των προϊόντων, συμβάλλοντας στη βιωσιμότητα και στην κυκλική οικονομία. Επιπλέον, η αυξανόμενη ανθεκτικότητα παθογόνων μικροοργανισμών στα αντιβιοτικά καθιστά επιτακτική την ανάγκη για ανάπτυξη νέων επιφανειών και επιστρώσεων με αντιμικροβιακές ιδιότητες, που θα περιορίζουν αποτελεσματικά τη διασπορά παθογόνων μικροβίων και θα αποτρέπουν την εξάπλωση της μόλυνσης. Ταυτόχρονα, η παγκόσμια ενεργειακή κρίση και οι επιπτώσεις της υπερθέρμανσης του πλανήτη καθιστούν επείγουσα την αναζήτηση βιώσιμων ενεργειακών λύσεων. Η συλλογή ενέργειας απευθείας από το περιβάλλον, όπως από την υγρασία, είναι μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση που απαιτεί την ανάπτυξη νέων υλικών με δυνατότητες ενεργειακής απόδοσης και βιωσιμότητας. Με βάση τα προαναφερθέντα, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή έχει ως σκοπό την ανάπτυξη προηγμένων λειτουργικών υλικών με ελεγχόμενες ιδιότητες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές, όπως αυτοϊάσιμες επιστρώσεις, ενεργοποιητές υγρασίας και ηλεκτρογεννήτριες με βάση την υγρασία. Αρχικά σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν αυτοϊάσιμες επιστρώσεις, βασισμένες σε υδατικής βάσης πολυουρεθανικές ρητίνες (Waterborne Polyurethanes, WPUs) και λειτουργικά πολυμερικά υλικά. Η αρχή σχεδιασμού της μελέτης ήταν η σύνθεση λειτουργικών συμπολυμερών που συνδυάζουν δραστικές ομάδες που μπορούν να ενεργοποιούνται από εναύσματα όπως το νερό ή οι αλλαγές θερμοκρασίας. Έτσι συντέθηκαν πολυμερικά υλικά με βάση τον μεθακρυλικό γλυκιδυλεστέρα (GMA) και τον μεθακρυλικό 2-υδροξυαιθυλεστέρα (HEMA), τα οποία ενσωματώθηκαν στις υδατοδιαλυτές πολυουρεθανικές διασπορές και παρασκευάστηκαν μεμβράνες οι οποίες εξετάστηκαν ως προς την ικανότητα τους να αυτοθεραπεύονται. Αποδείχθηκε ότι, ανάλογα με το είδος των πολυμερικών υλικών, η αυτοθεραπεία επιτυγχάνεται είτε μέσω φυσικοχημικών διεργασιών όπως μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις (δεσμοί υδρογόνου, δυνάμεις van der Waals, ιοντικές αλληλεπιδράσεις), είτε μέσω φυσικών διεργασιών όπως η διάχυση των πολυμερικών αλυσίδων ή ακόμα και μέσω συνδυασμού των δύο παραπάνω. Σε επόμενο στάδιο, πραγματοποιήθηκαν μελέτες σχετικά με την ανάπτυξη πολυμερικών υλικών με αντιμικροβιακή δράση. Σε αυτό το πλαίσιο μελετήθηκαν διασυνδεδεμένα πολυμερικά συστήματα με ακινητοποιημένες τεταρτοταγείς ενώσεις αμμωνίου. Αρχικά, συντέθηκαν τα αμφίφιλα συμπολυμερή πολύ(μεθακρυλικός 2-υδροξυαιθυλεστέρας-co-μεθακρυλικός διμεθυλαμινο αιθυλεστέρας) P(HEMA-co-DMAEMAx) όπου x=20,40,60,80 % mol DMAEMA τα οποία τροποποιήθηκαν σε διάφορα ποσοστά με την ομάδα του δεκαέξυλο-αμμωνίου, η οποία αναμένεται να ενισχύσει την αντιμικροβιακή δράση των υλικών. Τα υλικά αυτά μελετήθηκαν ως προς τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες και την αντιμικροβιακή τους αποτελεσματικότητα έναντι των βακτηρίων E. coli και S. aureus. Στη συνέχεια, τα παραπάνω πολυμερή αναμίχθηκαν με τα λειτουργικά συμπληρωματικά συμπολυμερή πολυ(διμεθυλακρυλαμίδιο-co-μεθακρυλικός γλυκιδυλεστέρας) P(DMAm-co-GMAx) όπου x=20,40 % mol GMA σε διαφορετικές αναλογίες μεταξύ τους και μέσω θερμικής διασύνδεσης παρασκευάστηκαν μεμβράνες υψηλής σταθερότητας. Η μελέτη της κυτταρικής μείωσης % των βακτηριακών ειδών E. coli και S. Aureus έδειξε ότι η δράση των πολυμερικών μεμβρανών διαφοροποιείται ανάλογα με την υδρόφιλη/υδρόφοβη φύση τους, καθώς και με το είδος του μικροοργανισμού. Επιπλέον, οι μεμβράνες παρουσιάζουν απόκριση στην υγρασία, με εξαιρετική ικανότητα κάμψης και αναδίπλωσης κατά την έκθεσή τους σε περιβάλλον υγρασίας. Οι παραπάνω μελέτες ανέδειξαν νέα συστήματα πολυμερικών μεμβρανών για πιθανή χρήση σε διάφορες εφαρμογές, όπως στην κατασκευή ανέπαφων αντιμικροβιακών διακοπτών. Τέλος, στο πλαίσιο των διαρκών προσπαθειών για την αξιοποίηση της υγρασίας ως πηγή ενέργειας και τη μετατροπή της σε πρακτικές εφαρμογές, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μια σειρά σύνθετων μεμβρανών, οι οποίες αποτελούνται από υδρόφιλα πολυμερικά υλικά σε συνδυασμό με νανοδομές άνθρακα. Η διαδικασία κατασκευής των σύνθετων μονοστρωματικών μεμβρανών περιλάμβανε ήπιες υδατικές συνθήκες ως μια οικονομική και φιλική προς το περιβάλλον μεθοδολογία. Αρχικά, συντέθηκε το υδατοδιαλυτό συμπολυμερές πολυ(4-στυρενοσουλφονικό νάτριο-co-μεθακρυλικός γλυκιδυλεστέρας), P(SSNa-co-GMA40). Μερικώς καρβοξυλιωμένοι πολυστρωματικοί νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs-COOH) διασπάρθηκαν σε υδατικό διάλυμα του συμπολυμερούς, σε διαφορετικές αναλογίες (5-30% w/w). Στη συνέχεια, οι υδατικές διασπορές αναμίχθηκαν με υδατικό διάλυμα του ομοπολυμερούς πολυακρυλικού οξέος (PAA), με σκοπό τη διασύνδεση των καρβοξυλικών ομάδων του με τις εποξειδικές ομάδες του συμπολυμερούς P(SSNa-co-GMA40). Η παραπάνω προσέγγιση, καθώς και η θερμική επεξεργασία των πολυμερικών επικαλύψεων, οδήγησε σε σταθερά υλικά με καλές μηχανικές ιδιότητες και απόκριση στην υγρασία. Η εργασία αυτή επικεντρώθηκε στη μελέτη δύο βασικών παραμέτρων: τους παράγοντες που επηρεάζουν την απόκριση των σύνθετων μεμβρανών στην υγρασία και τους παράγοντες που επηρεάζουν την αγωγιμότητά τους. Οι σύνθετες μονοστρωματικές μεμβράνες παρουσίασαν μικτή αγωγιμότητα (ιοντική και ηλεκτρονιακή), όπως αποδεικνύεται και από την απόκρισή τους σε διαφορετικά ποσοστά σχετικής υγρασίας (0-95% RH). Η αγώγιμη φύση των μεμβρανών επιβεβαιώθηκε από την ενσωμάτωσή τους ως ανέπαφων διακοπτών σε κυκλώματα με πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Είναι επίσης αξιοσημείωτη η δυνατότητα των μεμβρανών να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, με τάσεις εξόδου μέχρι και 650 mV, όταν διαβιβάζεται σε αυτές υγρασία. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης ήταν εξαιρετικά ενθαρρυντικά για την εφαρμογή αυτών των μεμβρανών σε τομείς όπως η μαλακή ρομποτική, οι ανέπαφοι διακόπτες και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την υγρασία.