kolloide geler, allestedsnærværende i hverdagsprodukter, røbe deres hemmeligheder

Forskere ved MIT har udviklet en ny metode til at bestemme strukturen og opførselen af ​​en klasse af udbredte bløde materialer kendt som svage kolloide geler, som findes i alt fra kosmetik til byggematerialer. Undersøgelsen karakteriserer gelerne gennem hele deres udvikling, da de skifter fra mineralske opløsninger til elastiske geler og derefter glasagtige faste stoffer.

Arbejdet afdækker de mikrostrukturelle mekanismer, der ligger til grund for, hvordan gelerne ændrer sig naturligt over tid, og hvordan deres elastiske egenskaber også ændrer sig, både over tid og afhængig af den hastighed, hvormed de eksperimentelt deformeres. Denne karakterisering skulle muliggøre yderligere undersøgelse, forudsigelse, og måske manipulation af gelernes adfærd, åbne døre til fremskridt inden for områder som medicinlevering og fødevareproduktion, hvor disse geler er almindelige ingredienser, såvel som i applikationer lige fra vandrensning til bortskaffelse af nukleart affald, som bruger disse kolloide geler i en krystalliseret, porøs form kendt som zeolitter.

"Vi mener, at dette nye overordnede billede og forståelse af geldannelsen og den efterfølgende ældningsprocessen er af stor betydning for materialeforskere, der arbejder med blødt stof, " siger Gareth McKinley, School of Engineering Professor i Teaching Innovation og professor i maskinteknik ved MIT.

"Vores resultater gør det muligt for forskere at bestemme, hvorfor svage kolloide geler viser aspekter af både glasagtig og gel-lignende adfærd, og muligvis konstruere gelerne til at have særlige ønskede egenskaber i deres mekaniske respons, " siger Bavand Keshavarz, en postdoc i MIT's Department of Mechanical Engineering og førsteforfatter af det nye studie, som optræder i PNAS .

Forskningen blev udført som en del af et internationalt samarbejde med MIT, Argonne National Laboratory, det franske nationale center for videnskabelig forskning, og den franske kommission for alternative energier og atomenergi.

Brug af aluminosilikatgeler, almindeligt anvendt til fremstilling af zeolitter, forskerne overvandt mange af de udfordringer, der var forbundet med at karakterisere disse meget bløde materialer, som konstant ændrer sig over tid, samt udviser forskellige egenskaber afhængigt af den hastighed, hvormed de deformeres. Keshavarz sammenligner deres adfærd med Silly Puttys, som strækker sig og flyder, hvis du trækker det langsomt, men brækker skarpt af, hvis du giver den et hurtigt ryk.

Gelerne ældes også hurtigt, hvilket betyder, at den mekaniske adfærd, de udviser, mens de allerede varierer ved forskellige deformationshastigheder, ændre sig hurtigt over tid. De fleste tidligere undersøgelser fokuserede på at studere disse materialer i deres modne tilstand, siger Keshavarz.

"De kunne ikke få et samlet billede af gelen, fordi det eksperimentelle vindue for deres observationer var ret snævert, " siger Keshavarz.

Til denne undersøgelse, forskerne indså, at de kunne bringe gelernes ældningsproces til deres fordel gennem en ramme kendt som "time-connectivity superposition."

De udsatte aluminiumsilikaterne for en gentagen række komplekse deformationsfrekvenser kendt som chirps under gelering og efterfølgende ældningsprocesser. Kvidren, modelleret efter ekkolokaliseringssignalsekvenser produceret af flagermus og delfiner, test meget hurtigt egenskaberne ved skiftende bløde materialer.

Ved gentagne gange at anvende chirp-signalerne gennem hele udviklingen af ​​gelerne, forskerne udviklede en sekvens af, hvad der kunne opfattes som informationssnapshots, der repræsenterer gelernes mekaniske egenskaber, da de blev udsat for en bred vifte af deformationsfrekvenser, der spænder over otte størrelsesordener (f.eks. fra 0,0001 hertz til 10, 000 hertz).

"Det betyder, at vi har set på den materielle adfærd over et meget bredt udvalg af sonderingsfrekvenser, " siger Keshavarz, "fra meget langsomme deformationer til meget hurtige."

De resulterende snapshots gav en omfattende profil af gelernes mekaniske egenskaber, gør det muligt for forskerne at konkludere, at svage kolloide geler, også kendt i daglig tale som pastaagtige materialer, har en dobbelt natur, udviser træk af både glas og geler. Forud for denne undersøgelse, Forskernes begrænsede observationsperspektiv fik dem til at konkludere, at sådanne materialer enten var geler eller glas, ikke at have observeret begge funktioner i et enkelt eksperiment.

"En videnskabsmand siger, at det er en gel, og den anden siger, at det er et glas. De har begge ret, " siger McKinley, sammenligne gelernes egenskaber med karamellernes, som udviser de samme principper for tidsforbindelses-superposition, når de opvarmes og kan være enten bløde og seje eller sprøde og glasagtige.

For at observere den udviklende struktur af aluminosilikatgeler, ud over at undersøge deres mekaniske egenskaber gennem gelerings- og ældningsprocessen, forskerne anvendte røntgenspredning. Dette gjorde det muligt for dem at opløse gelens struktur fra det tidspunkt, hvor dens kemiske komponenter var mindre end lysets bølgelængde og derfor usynlige uden gennemtrængning af røntgenstråler. Processen gjorde det muligt for forskerne at observere den fysiske struktur af gelerne i længdeskalaer, der spænder over fire størrelsesordener, zoomer ind fra en skala på 1 mikron ned til den på 0,1 nanometer.

At observere gelerne i så vidtgående rumlige skalaer, forskerne opdagede, at det fraktallignende netværk af forbundne partikler, der udvikler sig, når partiklerne samler sig til en gel, forbliver fikseret ud over gelpunktet. Netværket vokser og tilføjer klynger, skiftende skala, men hovedstrukturen eller "rygraden" og geometrien forbliver den samme.

Undersøgelse af materialerne over sådanne vidtgående rumlige skalaer og kombinere denne information med den samtidige information om materialernes mekaniske opførsel, forskerne konkluderede også, at større klynger i netværket slappede langsommere af på en gel-lignende måde efter at være blevet deformeret, mens de mindre klynger afslappede hurtigere som et stift glasagtigt materiale. McKinley gør analogien til de markante forskelle, vi oplever mellem den tid, det tager for en memory-skummadras at komme sig efter at være komprimeret, kontra den tid, en meget hård konventionel madras tager. At observere dette forhold mellem størrelsen af ​​klynger i materialet og afslapningshastigheden kaster yderligere lys over oprindelsen af ​​disse bløde materialers karakteristiske egenskaber.

"Vores arbejde åbner et nyt perspektiv, " siger Keshavarz, "og baner vejen for forskere til at udvikle et mere omfattende syn på arten af ​​disse pastaagtige materialer."

"Kolloide geler er allestedsnærværende materialer, " siger Emanuela Del Gado, lektor ved Georgetown University's Department of Physics, som ikke var involveret i denne forskning, men tidligere har samarbejdet med MIT-teamet. "Deres fysik er vigtig i så mange industrier og teknologier (fra mad til maling, at cementere, produkter til personlig pleje og biomedicinske applikationer). Dette papir er det første forsøg på at identificere de mikroskopiske træk, der forener mekanikken i en potentielt bred klasse af systemer, ved at forbinde [gelernes] mikrostruktur til deres rheologiske adfærd."

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.