Após vários anos desenvolvendo as ideias teóricas, pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign validaram várias novas previsões sobre o mecanismo fundamental de transporte de átomos e moléculas (penetrantes) em matrizes líquidas moleculares e poliméricas quimicamente complexas.

O estudo do Professor de Ciência e Engenharia de Materiais (MatSE) Ken Schweizer e Dr. Baicheng Mei, publicado recentemente na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , estendeu a teoria e a testou contra uma grande quantidade de dados experimentais. O professor associado do MatSE, Chris Evans, e o estudante de pós-graduação Grant Sheridan colaboraram nesta pesquisa, fornecendo medições experimentais adicionais.

A difusão de penetrantes em matrizes poliméricas tem amplas aplicações, incluindo separações de membranas, revestimentos de barreira, entrega de drogas e autocura. No entanto, controlar a taxa de transporte de penetrantes através dessas matrizes utilizadas em aplicações de materiais é um processo complicado. A rapidez com que as moléculas se movem através de um material pode variar em mais de 15 ordens de magnitude, dependendo de várias características da molécula e da matriz, principalmente o tamanho da molécula e a temperatura.

Depois que a teoria foi desenvolvida, a equipe vasculhou a literatura para encontrar o máximo de dados experimentais possível para vários pares de matriz penetrante. Eles estavam procurando conjuntos de dados com a mais ampla faixa de temperatura para testar suas previsões: de altas temperaturas onde os polímeros são emborrachados, até baixas temperaturas onde os polímeros finalmente vitrificam em um vidro sólido e para penetrantes de estruturas químicas muito diferentes em diversos polímeros e matrizes moleculares. Um total de 17 conjuntos de dados foram analisados, e Schweizer diz: "Encontramos evidências muito fortes para as novas ideias da teoria".

Alterar a temperatura em até 30% pode alterar a difusividade das moléculas penetrantes em 10 ordens de magnitude. À medida que a temperatura diminui, a difusão fica cada vez mais lenta e, finalmente, de uma maneira qualitativamente mais rápida, dependendo da natureza molecular do penetrante e da matriz polimérica.

Schweizer explica: "Quando a molécula é pequena e/ou a temperatura é alta, a influência de seu entorno em seu movimento é mais simples e sente muito menos resistência. Mas quando a molécula fica grande o suficiente, especialmente sob condições suficientemente frias, ela efetivamente deve empurrar mais do material circundante para fora do caminho, e torna-se muito mais difícil de se mover. E isso muda completamente a dependência da temperatura , de uma forma que amplifica fortemente as diferenças na taxa de transporte de diferentes moléculas que podem ser exploradas para projetar membranas poliméricas mais seletivas."

Cada par de penetrante e matriz de polímero tem sua própria impressão digital para a taxa na qual a molécula pode se mover, e pequenas mudanças de temperatura ou tamanho do penetrante podem gerar enormes mudanças na taxa de movimento da molécula. Sobre este resultado, Schweizer diz: "É um fenômeno experimental espetacular."

Depois de validar essa teoria, "o que sai não é apenas uma explicação dos dados existentes, mas uma maneira de pensar sobre a síntese de novas moléculas ou novos materiais poliméricos com uma taxa personalizada de transporte dependente da temperatura . É como engenharia inversa", Schweizer concluiu.