Undersøger mikroskopiske wiggles i squishy materialer

Udtrykket "kolloid gel" er muligvis ikke en husstandssætning, men eksempler på disse materialer er overalt i vores daglige liv, fra tandpasta og shower gel til mayonnaise og yoghurt. Kolloidale geler er blandinger af partikler suspenderet i væske, og afhængigt af hvordan de manipuleres, disse geler kan flyde som væske eller holde deres form som et fast stof.

Nu har MIT -forskere kigget ind i mikrostrukturen af ​​kolloidale geler og identificeret en overraskende rig variation af adfærd i disse squishy, fasebrytende materialer.

Holdet indspillede film af kolloidale geler, da de dannede, starter som individuelle partikler i vand og udvikler sig til tyk, ensartet goo. Forskerne zoomede ind i forskellige størrelsesskalaer for at observere enhver aktivitet i morphing -materialet, og opdagede en række skalaafhængige adfærd.

Forskerne siger deres fund, rapporteret den 27. februar i journalen Fysisk gennemgangsbreve , repræsenterer den første omfattende undersøgelse af mikrostrukturen af ​​kolloidale geler. Arbejdet kan hjælpe forskere med at justere de materielle egenskaber ved en række almindelige produkter.

Et eksempel der kommer til at tænke på, siger studieforfatter Irmgard Bischofberger, behandler problemet med den altid tilstedeværende væskefilm på overfladen af ​​de fleste yoghurt. Denne væske skubbes enten ud af hovedparten af ​​yoghurten under transporten, eller det siver ud som følge af tyngdekraften, da yoghurten sidder på en hylde over en længere periode.

"Du vil have yoghurten til at modstå vibrationer og tyngdekraften og undgå at falde sammen, men du vil ikke gøre hele dit materiale stærkere på en måde, så det ikke føles helt rigtigt, når du spiser det, "siger Bischofberger, adjunkt i maskinteknik på MIT. "Ved at kende alle disse oplysninger om, hvordan materialet opfører sig på tværs af længdeskalaer, kan du finde måder at justere et specifikt aspekt af materialet på."

Bischofbergers medforfattere er MIT-kandidatstuderende Jae Hyung Cho og Roberto Cerbino fra University of Milan.

Et enkelt skud

Forskere har typisk udforsket mikrostrukturen af ​​kolloidale geler ved hjælp af specialiserede laseropsætninger til at sprede lys i flere vinkler, at fange information om et materiale i forskellige længder. Bischofberger siger, at det ville kræve mange eksperimentelle kørsler at tage billeder af det samme materiale ved hver opløsning.

MIT -teamets samarbejdspartner, Cerbino, havde tidligere fundet ud af, at ved hjælp af et simpelt optisk mikroskop, med en opløsning skarp nok til at løse alt fra et materiales individuelle partikler til dets bulkegenskaber, han kunne optage film af materialet og derefter bruge en computerkode til at analysere billederne ved foreskrevne pixellængder. For eksempel, koden kunne indstilles til at analysere bevægelserne inden for flere pixels, eller mellem hundredvis af pixels, eller på tværs af hele billedet. På denne måde, Cerbino var i stand til at fange dynamikken i et materiale på tværs af alle længder på skalaer "i et enkelt skud, "Siger Bischofberger.

Cerbino demonstrerede tidligere denne teknik, kendt som differential dynamisk mikroskopi, eller DDM, ved billeddannelse af individuelle partikler i en enkel løsning. Til denne nye undersøgelse, teamet anvendte DDM for at undersøge kolloidale geler, en mere kompleks klasse af materialer.

"Disse materialer har fascinerende egenskaber, "Cho siger." For at forstå disse egenskaber, du skal forstå de strukturer, der spænder over forskellige længder, fra individuelle partikelskalaer på titalls nanometer, til de strukturer, de danner, der spænder over hundredvis af mikroner på tværs. "

Vores kroppe, vores bløde jeg

Cho designede først en kolloid gel, som gruppen let kunne kontrollere og studere. Materialet er en blanding af vand og polystyrenpartikler, som Cho valgte for deres unikke ydre skal. Hver partikel er omgivet af en temperaturfølsom skal, der, ved lave temperaturer, ligner et pigget ydre, der forhindrer en partikel i at komme for tæt på nabopartikler. Ved varmere temperaturer, skallen krymper effektivt, og partikelens naturlige attraktionskraft overtager, bringe det tættere på andre partikler, som den derefter kan knytte sig til.

Forskerne blandede partiklerne i forskellige koncentrationer med vand og placerede hver prøve på en termoelektrisk plade, som de satte under et konventionelt optisk mikroskop. De tog billeder af hver prøve, da de skruede op for pladens temperatur, og så prøverne udvikle sig til en kolloid gel, vender sig fra en mælkeagtig væske, til en tykkere, yoghurtlignende konsistens.

Bagefter, de brugte en computerkode baseret på Fourier -transformering, en type billedbehandlingsteknik, der nedbryder et billede til forskellige frekvenser og rumlige skalaer, automatisk at udtrække bevægelsesdata i forskellige længder fra individuelle partikler til store, tilsluttede partikelnetværk.

"Vi bruger en enkelt film, sammensat af mange billeder af en prøve, og se på prøven gennem forskellige vinduer, "Siger Cho.

De fandt ud af, at i de mindste skalaer, enkelte partikler syntes at bevæge sig frit rundt, vrikker og vibrerer omkring hinanden. Efterhånden som gelen udviklede sig, enkelte partikler klumpede sig sammen, danner større tråde eller netværk, der bevægede sig sammen på en mere begrænset måde. Ved afslutningen af ​​gelens dannelse, flere partikelnetværk glommede over hinanden på tværs af materialet, danner en slags stiv bane, der kun bevægede sig lidt, som en homogen struktur.

De strukturer, de observerede, lignede et selv-gentagende fraktalmønster, hvor enkelte partikler klæbede til hinanden i stadig større netværk og strukturer. Andre har observeret denne fraktale mønster i kolloidale geler, over en vis længde. Dette er første gang forskere har karakteriseret opførelsen af ​​kolloidale geler både inden for og uden for dette fraktale område, samtidigt, og observerede forskellige adfærd - i dette tilfælde bevægelsesgrader - på tværs af forskellige skalaer.

"Det er denne overlejring af forskellige bevægelsesmåder, der giver kolloidale geler disse ekstremt rige egenskaber, "Bischofberger siger." De kan opføre sig som både flydende og faste. Alt dette er en konsekvens af, at der er bevægelse på så mange forskellige længdeskalaer, og den bevægelse er anderledes i forskellige skalaer. "

Forskerne siger, at deres nye metode kan bruges til at udforske mikrostrukturen i andre bløde materialer, såsom biologiske væv og celler.

"Vores kroppe er bløde materialer som kolloidale geler, "Cho noter." Hvis vi bruger denne teknik til at studere biologiske systemer, dette kan hjælpe med at optimere levering af lægemidler, hvilket indebærer transport af stoffer gennem lignende netværk. "

Holdets nye teknik, som er baseret på optiske mikroskoper, der er let tilgængelige i de fleste laboratorier, kan være nyttig i ikke kun at karakterisere, men også tuning af egenskaber ved bløde materialer.

"Hvis jeg vil have et stærkt materiale, skal jeg lege med, hvad der sker på de mindste skalaer eller største skala? "siger Bischofberger." F.eks. Hvis du vil have noget med høj styrke, men med en glat tekstur, hvad skal jeg gøre for at få sådan et system? At have al denne mikrostrukturinformation hjælper dig med at vide, hvor du skal starte med design. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.