Hvorfor tandpasta og cement hærder over tid

Tag et kig inde i hætten på din yndlingstandpasta, og du kan se hårdt, hvide rester, en fast version af den glatte pasta du klemmer på din pensel.

Mange pastamaterialer, også kendt som tætte kolloide suspensioner, stivne som de bliver ældre. Strukturel dynamik, eller ændringer i de belastninger, materialerne udsættes for over tid, er delvist ansvarlige for denne ændring, men i årtier, eksperter har mistænkt, at der foregår mere inde i disse materialer.

Nu, University of Delaware kemisk og biomolekylær ingeniørprofessor og formand Eric Furst og et team af forskere fra Ecole des Ponts og University Paris-Est og i Frankrig har opdaget en proces kaldet kontaktkontrolleret aldring, der forklarer nogle aldersrelaterede ændringer i pastamaterialer.

De fandt ud af, at der dannes kontakter mellem partikler, stabilisering af disse materialers mikrostruktur. Derefter, disse kontakter stivner, at øge materialernes stivhed.

Holdet beskrev deres resultater i et papir offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Når folk tænker på ældning i materialer og de mekaniske egenskaber af materialer, når de ældes, især i reologi eller studiet af, hvordan tingene flyder, denne mekanisme er blevet overskygget af ændringer i organisationen, eller mikrostruktur, af materialet, sagde Furst.

Ikke kun er resultaterne nye, de vil sandsynligvis vise sig at være nyttige. Ved at forstå, hvordan materialer ældes, de mennesker, der bruger dem, kan designe bedre måder at forudsige og afbøde uønskede ændringer i materialernes ydeevne. Eksperimenterne knytter kemien af ​​partikeloverfladerne tæt, som kan skræddersyes ved kemiske reaktioner eller med additiver som overfladeaktive stoffer og polymerer, til bulkmaterialets egenskaber.

"Dette papir har nogle vidtrækkende implikationer, fordi der er mange typer problemer derude, hvor denne type kontaktaldring kan være virkelig vigtig, sagde Furst.

Folk i en lang række industrier kan drage fordel af at forstå ældningsprocessen for materialer af denne type, som omfatter cement, ler, jord, blæk, maling, og mere.

Forskerne brugte en række forskellige metoder til at udforske aldring i silica- og polymerlatexsuspensioner. Indledende forsøg viste, at materialernes mikrostruktur ikke ændrer sig over tid. Hvis partiklerne ikke ændrer position, holdet tænkte, så må der ske noget mellem dem.

I tidligere forsøg, Furst har brugt laserpincet – brug af en fokuseret laserstråle til at manipulere, bøje, og bryde mikroskopiske strukturer af partikler - hvilket viste sig at være den rigtige eksperimentelle opsætning til at bekæmpe dette særlige problem. Francesco Bonacci, dengang ph.d.-studerende i Frankrig, besøgte UD for at udføre laserpincetforsøg og studere stivheden af ​​bindinger i de silica- og latexmaterialer, der undersøges. Disse eksperimenter muliggjorde opdagelsen af ​​kontaktaldring.

Yderligere eksperimenter antydede genericitet - at resultaterne sandsynligvis vil gælde for en bred vifte af tætte kolloide suspensioner.

For Furst, dette projekt er et eksempel på styrken ved at samarbejde med eksperter over hele verden.

"Dette var resultatet af et utroligt internationalt samarbejde, bare et smukt hold, " sagde han. Medforfatterne på papiret inkluderer Bonacci, Xavier Chateau, Julie Goyon, Jennifer Fusier, og Anaël Lemaître.