Water Dynamics in Polyacrylamide Hydrogels

自愈水凝胶 化学 聚合物 分子动力学 化学物理 氢键 聚丙烯酰胺 人口 化学工程 分子 分析化学(期刊) 高分子化学 有机化学 计算化学 工程类 人口学 社会学
作者
Chang Yan,Patrick L. Kramer,Rongfeng Yuan,M. D. Fayer
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (30): 9466-9477 被引量:74
标识
DOI:10.1021/jacs.8b03547
摘要

Polymeric hydrogels have wide applications including electrophoresis, biocompatible materials, water superadsorbents, and contact lenses. The properties of hydrogels involve the poorly characterized molecular dynamics of water and solutes trapped within the three-dimensional cross-linked polymer networks. Here we apply ultrafast two-dimensional infrared (2D IR) vibrational echo and polarization-selective pump-probe (PSPP) spectroscopies to investigate the ultrafast molecular dynamics of water and a small molecular anion solute, selenocyanate (SeCN-), in polyacrylamide hydrogels. For all mass concentrations of polymer studied (5% and above), the hydrogen-bonding network reorganization (spectral diffusion) dynamics and reorientation dynamics reported by both water and SeCN- solvated by water are significantly slower than in bulk water. As the polymer mass concentration increases, molecular dynamics in the hydrogels slow further. The magnitudes of the slowing, measured with both water and SeCN-, are similar. However, the entire hydrogen-bonding network of water molecules appears to slow down as a single ensemble, without a difference between the core water population and the interface water population at the polymer-water surface. In contrast, the dissolved SeCN- do exhibit two-component dynamics, where the major component is assigned to the anions fully solvated in the confined water nanopools. The slower component has a small amplitude which is correlated with the polymer mass concentration and is assigned to adsorbed anions strongly interacting with the polymer fiber networks.
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