Ny forskning viser, hvordan grupperede partikler bestemmer elasticiteten af ​​nogle geler

Fra tandpastaen du klemmer på din børste først om morgenen til yoghurten du slurper ned til skyllemidlet, der holder din pyjamas hyggelig og blød, geler er allestedsnærværende i forbrugerprodukter, mad, og i industrielle applikationer, også.

Imidlertid, indtil nu, forskere har ikke været i stand til at forklare de mikroskopiske strukturer inden for geler, der giver deres elasticitet, eller fjedring, ej heller hvordan disse strukturer dannes. Et team af forskere fra University of Delaware, Massachusetts Tekniske Institut, North Carolina State University og University of Michigan opdagede, at gelernes elasticitet stammer fra pakning af klynger af partikler i gelerne, som gruppen kaldte lokalt glasagtige klynger.

Denne forskning, beskrevet i et papir publiceret i tidsskriftet Naturkommunikation , kunne hjælpe folk med at konstruere bedre materialer og produkter i mikroskalaen. Denne indsigt kan hjælpe virksomheder i forbrugerprodukterne, bioteknologi, og landbrugssektorer og videre.

Mange virksomheder formulerer og sælger gelprodukter, og nogle gange, gelens stivhed ændres som følge af ustabilitet. Eric Furst, professor og formand for UD's afdeling for kemisk og biomolekylær teknik og en af ​​papirets tilsvarende forfattere, opbevarer en gammel flaske skyllemiddel på en hylde på sit kontor og bruger den til at demonstrere, hvad der sker, når geler skilles eller "falder sammen". Produktet formodes at være let at hælde, men når det går dårligt, det bliver sløret og utiltalende.

"Vores resultater giver indsigt i, hvordan man konstruerer klyngestørrelsesfordeling for at kontrollere stivhed, flyde, og stabilitet af gelmaterialer, sagde Furst.

Den første forfatter til det nye papir er Kathryn A. Whitaker, som modtog en doktorgrad i kemiteknik fra UD i 2015 og nu er senior forskningsingeniør på Dow i Midland, Michigan.

Undersøgelse af geler

Geler er halvfaste materialer, der flyder som væsker, men indeholder faste partikler, også. Når forskere undersøger disse stoffer under et mikroskop, de ser, at de faste partikler i gelerne danner et netværk, som strukturen i en bygning. For at få stoffet til at flyde, så du kan klemme det eller sprede det tyndt, du skal bryde den struktur. Når dette kræver meget kraft, stoffet er stift og har et højt elastisk modul. Når der kræves mindre kraft, stoffet flyder let og har et lavere elastisk modul.

Forskningsgruppen ledet af Furst studerede en gel fremstillet af partikler af poly (methylmethacrylat) latex (PMMA), almindeligvis kendt som akryl, dispergeret i en blanding af to farveløse væsker, cyclohexan og cyclohexylbromid. De fandt ud af, at denne gel var sammensat af glasagtige klynger af partikler, der var forbundet med hinanden med svage områder imellem. For at forstå, hvordan disse klynger bidrog til gelens egenskaber, teamet ønskede at bestemme grænserne, hvor hver klynge begyndte og sluttede.

"Det er ligesom Facebook, "sagde Furst." Vi forsøgte at finde ud af - hvem er lokalt forbundet med hvem? "

Samarbejder James W. Swan, assisterende professor i kemiteknik ved MIT, udført simuleringer for at udforske fysikken bag klyngerne. Derefter anvendte han grafteori, den matematiske undersøgelse af grafer, til simuleringsdataene for at finde ud af, hvilke klynger, der er forbundet med hinanden, identificere kanterne på hver gruppe og farvekode klyngerne. Det var som at definere grænserne for blandede vennegrupper.

Næste, forskerne sammenlignede simuleringsresultaterne med fysiske undersøgelser af gelerne og bekræftede, at forbindelserne og distributionerne matchede deres forudsigelser. De fastslog, at den måde, hvorpå disse lokalt glasagtige klynger pakkes sammen, bestemmer materialets elastiske modul. De sammenkoblede klynger fungerer som stive, bærende enheder inden i gelen.

"Indtil nu, ingen havde set og beskrevet, hvordan disse klynger pakkede, og hvordan de påvirkede elasticitet, "sagde Furst." Vi samlede puslespillet. "

Papirets forfattere inkluderer også Zsigmond Varga, en procesudviklingsingeniør hos ExxonMobil; Lilian C. Hsiao, en adjunkt i kemisk og biomolekylær teknik ved North Carolina State University og Michael J. Solomon, professor i kemiteknik og dekan og viceprost for akademiske anliggender, Kandidatuddannelser, Rackham Graduate School ved University of Michigan.

Dette papir var mange år undervejs, da efterforskerne fulgte op på langvarige spørgsmål, der generede dem og fik dem til at fortsætte med at arbejde.

"Denne opdagelse var resultatet af teamworket fra de vigtigste efterforskere, vores elevers eksperimentelle færdigheder, og den lidenskab og ihærdighed, vi alle bragte, da vi gennemgik dette problem, sagde Furst.