Misure di light scattering dinamico (DLS), sui copolimeri sintetizzati in questo elaborato di tesi, sono state condotte per avere una conferma diretta della capacità dei copolimeri anfifilici a formare nanostrutture auto-assemblate in acqua. Inoltre, è stata valutata l’influenza della temperatura su tali sistemi, in parallelo con le analisi di spettroscopia di fluorescenza del terpolimero PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1.
Per ogni copolimero anfifilico statistico e a blocchi, una soluzione in acqua con una concentrazione di 5 mg/mL è stata analizzata al DLS partendo dalla temperatura ambiente fino a 65 °C, registrando una misura ogni 5°C. Come per le misure di fluorescenza, le analisi DLS sono state anche condotte durante il raffreddamento da 65 °C a 25 °C.
In Figura 3.22 sono riportate le curve di distruzione in intensità dei diametri delle nanostrutture auto-assemblate in soluzione acquosa del terpolimero PEGMA74-co- AF25-co-JCBF1 a 25 °C.
Figura 3.22: Curve di distribuzione di intensità del diametro delle nanostrutture presenti in soluzione acquosa per il terpolimero PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 (5 mg/mL) a 25 °C
Dalle curve di distribuzione di intensità, riportate in Figura 3.22, si possono osservare due popolazioni distinte di particelle, incentrate una nell’intervallo da 1-10 nm e l’altra nell’intervallo 200-1000 nm. La popolazione più piccola può essere formata da nanostrutture ripiegate della singola catena macromolecolare. La seconda popolazione
In ten sità (u .a) Diametro (nm)
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può essere attribuita alla formazione di aggregati intermolecolari tra le strutture auto- assemblate.
Quando un raggio luminoso di lunghezza d'onda λ e intensità I0 colpisce una singola particella, l'intensità della luce da essa diffusa (I) è data dalla legge Rayleigh:
𝐼 = 𝐼
0 (1+𝑐𝑜𝑠2𝜃) 2𝑅2(
2𝜋 𝜆)
4(
𝑛2−1 𝑛2+2)
2(
𝑑 2)
6Equazione 3.1
dove R è la distanza della particella, θ l'angolo di diffusione, n l'indice di rifrazione della particella e d è il diametro della particella.
Generalmente, nelle curve di distribuzione normalizzate rispetto all’intensità (come quelle di figura 3.22), la popolazione di particelle a diametro più grande risulta preponderante rispetto a particelle con diametri più piccoli, poiché l’intensità della luce diffusa è proporzionale a d6. Per avere una percezione più realistica della popolazione di particelle maggiormente presente in soluzione, occorre analizzare anche le curve di distribuzione di volume, ottenute attraverso la rielaborazione strumentale della funzione di autocorrelazione dell’intensità della luce diffusa.
In Figura 3.23 sono riportate le curve di distribuzione volumetrica rispetto al diametro per il terpolimero PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 in acqua a 25°C.
Figura 3.23 Curve di distribuzione volumetrica del diametro delle nanostrutture presenti in soluzione acquosa per il terpolimero PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 (5 mg/mL) a 25 °C In ten sità (u .a) Diametro (nm)
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Dalla Figura 3.23 si nota che sono presenti le stesse due popolazioni di particelle riscontrate in Figura 3.22, ma quella largamente preponderante ha valori di diametro massimo nell’intervallo tra 3-6 nm
In Tabella 3.14 sono riportati i valori registrati dalle analisi di DLS a 25 °C delle soluzioni acquose dei diversi copolimeri anfifilici sintetizzati in questo lavoro di tesi.
Tabella 3.14: Diametri (Dn) massimi medi delle due popolazioni di particelle per le soluzioni acquose dei diversi
copolimeri (5 mg/mL) Copolimero Dn (nm) Dn (nm) PEGMA90-co-AF10 4,3 ± 0,7 230,4 ± 63,0 PEGMA77-co-AF23 3,2 ± 0,4 260,6 ± 39,6 PEGMA74-co-AF25-co- JCBF1 3,5 ± 0,8 258,7 ± 61,4 PEGMA69-co-AF31 8,1 ± 1,00 300,0 ± 90,0 PEGMA77-b-MAF23 16,9 ± 5,4 300,5 ± 70,4
Dalla Tabella 3.14 è possibile notare che il copolimero anfifilico a blocchi PEGMA77-
b-MAF23 presenta una popolazione di particelle con diametri medi intorno a 17 nm.
Probabilmente il copolimero a blocchi, nel solvente selettivo acqua, ha la capacità di formare strutture micellari attraverso interazione intermolecolare tra più catene macromolecolari, formando nanostrutture più grandi e complesse. [51]
Dalle analisi di DLS del PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 in acqua, variando la temperatura non è stata riscontrata una variazione sostanziale dei diametri delle particelle auto-assemblate da 25 °C fino a 55°C. A questa temperatura è stato registrato invece un netto cambiamento delle popolazioni di particelle presenti in soluzione. In Figura 3.24 sono riportate le curve di distribuzione dei diametri delle particelle in intensità e in volume del terpolimero PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 in acqua a 55 °C.
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Figura 3.24: Curve di distribuzione di Intensità (sopra) e volumetrica (sotto) del diametro delle nanostrutture presenti in soluzione acquosa per il terpolimero PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 (5 mg/mL) a 55°C
Alla temperatura di 55 °C si osserva, sia nelle curve di distribuzione in intensità che in quelle in volume, un'unica popolazione di particelle incentrate intorno a 400 nm. La presenza di un'unica popolazione di particelle in acqua è stata riscontrata in tutte le analisi al DLS del terpolimero PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 effettuate sopra la temperatura di 55°C. La scomparsa della popolazione di particelle a diametri più bassi
In ten sità (u .a) Diametro (nm) In ten sità (u .a) Diametro (nm)
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a tale temperatura può essere attribuita all’aggregazione tra le singole catene macromolecolari ripiegate del copolimero in acqua. Questo risultato è in accordo con le analisi di spettroscopia di fluorescenza effettuate su una soluzione acquosa di PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 variando la temperatura.
In Figura 3.25 sono riportate due immagini relative a una soluzione acquosa di PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 (5 mg/mL) a 25 °C e una subito dopo riscaldamento a 55 °C.
Figura 3.25: immagini relative a una soluzione acquosa di PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 (5 mg/mL) a 25 °C (a sinistra) e a 55 °C (a destra).
Dalla Figura 3.25 è possibile osservare un cambiamento visibile ad occhio nudo della soluzione acquosa di PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 variando la temperatura. Nello specifico si nota che la soluzione passa da uno stato di trasparenza (25 °C) a uno stato opalescente (55°C). Tale risultato è un’ulteriore conferma della diminuzione della solubilità del polimero riscontrata a 55 °C.
Dalle varie analisi di DLS in temperatura effettuate sulle soluzioni acquose dei diversi copolimeri anfifilici sintetizzati, è stato possibile notare che la temperatura a cui avvengono fenomeni di aggregazione varia a seconda del diverso rapporto tra il componente idrofilo e quello idrofobo (Tabella 3.15). In particolare si osserva che nei copolimeri anfifilici dove si ha un quantità maggiore del componente idrofobo la temperatura di transizione LCST diminuisce. Ciò è in accordo con la letteratura che riporta che la temperatura critica di solubilità del PEGMA può diminuire aggiungendo un componente più idrofobo. [35]
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Tabella 3.15: Temperatura di transizione e relativi diametri (Dn) massimi medi per ogni copolimero anfifilico sintetizzato Polimero Ttransizione (°C) Dn (nm) PEGMA90-co-AF10 59 500,0 ± 100,0 PEGMA77-co-AF23 57 390,6 ± 32,6 PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 55 400,1 ± 38,2 PEGMA69-co-AF31 49 650,0 ± 100,0 PEGMA77-b-MAF23 60 1334,5 ± 444,5
Il fenomeno di aggregazione può essere definito reversibile in quanto, in tutte le analisi in DLS effettuate sulle soluzioni acquose dei diversi copolimeri anfifilici, a una determinata temperatura si riscontra il passaggio tra le stesse popolazioni di particelle sia in fase di riscaldamento che in fase di raffreddamento.
Successivamente sono state condotte analisi DLS a temperatura ambiente, sui copolimeri sintetizzati in questo elaborato di tesi, variando il solvente (cloroformio, tetraidrofurano, trifluorotoluene) ma mantenendo fissa la concentrazione a 5 mg/mL. Questo studio è stato effettuato per poter capire se i copolimeri anfifilici sintetizzati possiedano la capacità di formare nanostrutture auto-assemblate anche nei solventi organici analizzati. Nelle analisi di DLS condotte per i vari copolimeri anfifilici statistici e a blocchi in cloroformio, THF e TFT l’intensità di luce diffusa era praticamente trascurabile e non ha permesso di rilevare nessun tipo di aggregato. Per il copolimero PEGMA77-b-MAF23 è stata determinata l’intensità della luce diffusa da soluzioni acquose, in funzione della concentrazione. Come mostrato in Figura 3.26, l’intensità risulta essere bassa e pressoché costante per le soluzioni più diluite. Al superamento di una concentrazione soglia di 0,74 mg/mL si rileva una discontinuità e l’intensità cresce più velocemente con la concentrazione del copolimero in acqua.
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Figura 3.26: Determinazione della concentrazione micellare critica (cmc) per il copolimero PEGMA77-b-MAF23 mediante misure di intensità di luce diffusa
Il comportamento osservato in Figura 3.26, è imputabile al superamento della concentrazione micellare critica del sistema in esame (CMC), determinata come intersezione delle due rette che interpolano i dati nei diversi regimi lineari. Al di sopra di tale concentrazione si formano strutture micellari intermolecolari nella soluzione comportando un netto aumento della luce diffusa.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 0,001 0,01 0,1 1 10 C P S Conconcentrazione (mg/mL)
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