STRUCTURAL AND DYNAMICAL STUDY OF CONFINED SUGAR SOLUTIONS
ETUDE STRUCTURALE ET DYNAMIQUE DE SOLUTIONS DE SUCRE CONFINEES
Résumé
Even though the active role of sugar molecules is well known as stabilizer agent for cell membranes upon dehydration, the responsible process is still unidentified. Nevertheless, the great affinity existing between sugar and water molecules – evidenced by the important number of hydrogen bondings between these two species – seems to be the main agent at the origin of this exceptional property. An experimental study of sugar and water molecules should allow to determine accurately the interactions causing this remarkable resistance.
In this work, we focused on solutions of mono- and disaccharides (glucose, fructose and trehalose). The quasi-elastic neutron scattering is an appropriate tool to probe, at the picosecond timescale, the dynamics of water and sugar in solution and under confinement in porous materials presenting a scale mimicking the living world. Two matrices have been chosen : silica gel and mesoporous silica spheres presenting pores of 18 and 3 nm respectively. Both have been characterized with a large set of experiments (SANS, SEM, TEM, Raman Spectroscopy, BET, XRD). The effect of the confinement on the dynamics and solid-liquid transitions have been explored, thus an in-situ dehydration study monitored by small-angle neutron scattering allowed us to better understand the bioprotective effect of theses sugars.
In this work, we focused on solutions of mono- and disaccharides (glucose, fructose and trehalose). The quasi-elastic neutron scattering is an appropriate tool to probe, at the picosecond timescale, the dynamics of water and sugar in solution and under confinement in porous materials presenting a scale mimicking the living world. Two matrices have been chosen : silica gel and mesoporous silica spheres presenting pores of 18 and 3 nm respectively. Both have been characterized with a large set of experiments (SANS, SEM, TEM, Raman Spectroscopy, BET, XRD). The effect of the confinement on the dynamics and solid-liquid transitions have been explored, thus an in-situ dehydration study monitored by small-angle neutron scattering allowed us to better understand the bioprotective effect of theses sugars.
Bien que le rôle actif des sucres soit connu dans la stabilisation des membranes cellulaires lors de fortes déshydratations, il s'avère que les processus à l'origine de cette protection ne sont pas encore bien compris. Néanmoins, la très grande affinité de l'eau pour le sucre, comme en témoigne la formation de très nombreuses liaisons hydrogène, est semble-t-il responsable en partie de cette propriété exceptionnelle. L'étude expérimentale de la dynamique des molécules de sucre et d'eau permettra ainsi de quantifier l'importance de ces interactions.
Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés à des solutions de mono- et disaccharides (glucose, fructose et tréhalose). La diffusion quasi-élastique des neutrons a permis de mesurer, à l'échelle de la picoseconde, la dynamique de l'eau et du sucre en solution et sous confinement dans des matériaux poreux présentant un mimétisme d'échelle avec le vivant. Les deux matrices sélectionnées, c'est-à-dire un gel de silice aqueux et des nanosphères de silice mésoporeuse de type MCM-41, qui présentent des diamètres de pores de 18 et 3 nm respectivement, ont été caractérisées grâce à un large panel de techniques expérimentales (SANS, MET, MEB, Spectroscopie Raman, BET, DRX). L'effet du confinement sur la dynamique et sur les transitions de phase solide-liquide a ainsi pu être exploré, ainsi que l'effet protecteur des sucres grâce à une étude de déshydratation in-situ suivie par diffusion des neutrons aux petits angles.
Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés à des solutions de mono- et disaccharides (glucose, fructose et tréhalose). La diffusion quasi-élastique des neutrons a permis de mesurer, à l'échelle de la picoseconde, la dynamique de l'eau et du sucre en solution et sous confinement dans des matériaux poreux présentant un mimétisme d'échelle avec le vivant. Les deux matrices sélectionnées, c'est-à-dire un gel de silice aqueux et des nanosphères de silice mésoporeuse de type MCM-41, qui présentent des diamètres de pores de 18 et 3 nm respectivement, ont été caractérisées grâce à un large panel de techniques expérimentales (SANS, MET, MEB, Spectroscopie Raman, BET, DRX). L'effet du confinement sur la dynamique et sur les transitions de phase solide-liquide a ainsi pu être exploré, ainsi que l'effet protecteur des sucres grâce à une étude de déshydratation in-situ suivie par diffusion des neutrons aux petits angles.