Tætte mikrogelsuspensioner afslører in-silico, hvad der sker under kompression

Mikrogelsuspensioner, der består af mikroskopiske væskefyldte polymerpartikler, indtager en mærkelig fysisk tilstand et sted mellem væske og fast stof, give dem unikke egenskaber og potentielle anvendelser i selvhelbredende strukturer, optisk aktive materialer, mikroreaktorer, lægemiddelleveringssystemer, og skabeloner til regenerering af levende strukturer såsom knogler og muskler.

Ved hjælp af computersimuleringer i stor skala, forskere ved Georgia Institute of Technology har nu kortlagt den overraskende adfærd og mekanik af disse komplekse partikel-opløsningsmiddelsystemer, lære, hvordan de "bløde og squishy" partikler deformeres, svulme, afsvulme, og trænge ind i hinanden, når de reagerer på kompression. Resultaterne kan hjælpe med at guide designet af mikrogel-baserede applikationer med unikke og nyttige egenskaber.

"Vi ønskede at forstå bredt, hvad der sker med disse partikler, hvis du sætter dem sammen og begynder at komprimere dem, " sagde Alexander Alexeev, professor og Anderer Faculty Fellow i Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "I modsætning til stive partikler, der fylder det tilgængelige rum og derefter holder op med at komprimere, disse partikler har flere processer, der kan arbejde parallelt inde i suspensionen. Mikrogeler kan ændre form, krympe, og trænge ind i hinanden. Vi fandt ud af, at disse processer spiller en varierende rolle, når du øger partikelantaltætheden og komprimerer dem nok."

Resultaterne af undersøgelsen blev rapporteret den 19. oktober i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences . Forskningen blev støttet af National Science Foundation (NSF) og MCIU/AEI/FEDER EU, og simuleringer brugte NSF's Extreme Science and Engineering Discovery Environment.

Ved hjælp af mesoscale computersimuleringer, forskerne undersøgte adfærden af ​​komprimerede suspensioner bestående af formskiftende mikrogeler med forskellige arkitekturer ved en række forskellige pakningsfraktioner og opløsningsmiddelforhold. De fandt ud af, at under kompression, de "fluffy" mikrogeler - som ligner mikroskopiske svampe med polymertråde, der strækker sig ud fra dem - ændrer form og krymper, med begrænset interpenetration blandt partikler.

"Du kan bruge deres blødhed og det faktum, at de ændrer form til at pakke dem endnu mere, " sagde Alberto Fernandez-Nieves, ICREA-professor i afdelingen for kondenseret stofs fysik ved universitetet i Barcelona og adjungeret professor ved Georgia Tech's School of Physics. "Der er en række forskellige mekanismer til at pakke dem i et tilgængeligt volumen, og disse mekanismer kan spille en forskellig rolle afhængigt af situationen. Indtil denne undersøgelse, vi vidste ikke helt, hvordan mikrogelerne kunne pakkes sammen ud over tilfældig tæt pakning."

Deres evne til at frigive opløsningsmiddel tillader mikrogelerne at krympe og deformere, i modsætning til hårde partikler i almindelige kolloide suspensioner. Ud over, polymertrådene tillader dem at trænge ind i hinanden og overlappe hinanden for at pakke flere partikler ind i et givet rum. Mikrogelpartiklerne varierer i størrelse fra 50 nanometer op til så meget som 10 mikrometer i diameter. I deres simuleringer, Alexeev, Fernandez-Nieves, og nyligt ph.d. kandidat Svetoslav Nikolov studerede suspensioner indeholdende omkring hundrede mikrogelpartikler.

"Deres kompressibilitet er en ny ingrediens, der ikke er til stede i andre bløde partikler, og det kan skabe de fascinerende og unikke aspekter af disse mikrogelsystemer, " sagde Fernandez-Nieves. "Denne undersøgelse giver os information, vi har brug for for at udnytte denne blødhed til at opnå ting, vi ellers ikke ville være i stand til."

Simuleringerne gav information om virkningerne af variable såsom opløsningsmiddeltype og kompressionsgrad på de mekaniske egenskaber af mikrogelerne i suspensionen.

"Hvis man ser på suspensionens mekaniske egenskaber i forskellige opløsningsmidler, du kan se, at kurverne er meget forskellige, " sagde Alexeev. "Hvis de er hævede, de er luftige og kan bevæge sig rundt i ophænget. Hvis de uddriver opløsningsmiddel, de kan blive næsten tørre, så de mekaniske egenskaber kan ændre sig dramatisk. Det, vi fandt, er overraskende og slet ikke, hvad folk forventede."

Blandt de vigtigste fundamentale resultater er, at suspensionens mekaniske egenskaber kan kvantificeres i form af det enkelte mikrogel-bulkmodul. "Det er, hvordan disse partikler komprimeres, der bestemmer materialeegenskaberne for hele suspensionen, når den er tilstrækkeligt koncentreret, " sagde Fernandez-Nieves.

"Du kan have mange forskellige former for adfærd, men når du skalerer al adfærd efter den faktiske komprimerbarhed af en mikrogel, al adfærd hænger sammen, " tilføjede han. "Det betyder, at denne mængde synes at være den vigtige at overveje for at forstå suspensionens makroskopiske egenskaber."

Forskerne brugte NSF's Extreme Science and Engineering Discovery Environment til at simulere mikrogelsystemerne. Selvom adfærden af ​​almindelige partikelbaserede systemer kan virke ligetil at studere, komprimerbarheden af ​​mikrogelerne kombineret med kompleksiteten af ​​polymertværbindingen gjorde simuleringen ret stor, Alexeev bemærkede.

"En enkelt partikel er allerede et ret kompliceret system, " sagde han. "Den beregningsmæssige kompleksitet gav resultater, som vi håber vil tilskynde eksperimentalister til yderligere at udforske, hvad disse unikke systemer kan gøre."