„Gelurile coloidale” obișnuite în produsele de zi cu zi dezvăluie secretele lor de dezvoltare

Aceste particule, asemănătoare bilelor microscopice de lână tricotată, sunt de fapt particule anorganice de zeolit. Particulele cristaline microporoase se formează prin formarea de ulei deoarece hidrogelurile aluminosilicate coloidale evoluează dintr-o soluție minerală apoasă, apoi într-un gel viscoelastic și, în cele din urmă, într-un solid sticlos moale. Credit: un compliment din partea cercetătorilor

Studiul studiază proprietățile mecanice ale acestor materiale, deoarece acestea sunt transformate din geluri elastice în solide sticloase.

Cercetători Cu a dezvoltat o nouă metodă de determinare a structurii și comportamentului unei clase utilizate pe scară largă de materiale moi, de la produse cosmetice la materiale de construcții, cunoscute sub numele de geluri coloidale slabe. Cercetările caracterizează gelurile de-a lungul evoluției lor pe măsură ce se schimbă de la soluții minerale la geluri elastice și apoi la solide sticloase.

Studiul relevă mecanismele microstructurale care stau la baza modului în care gelurile se schimbă în mod natural în timp și modul în care proprietățile lor elastice se modifică experimental în funcție de rata de deformare. Această descriere permite studii suplimentare, predicții și, eventual, manipularea comportamentului gelurilor în domenii precum livrarea de medicamente și producția de alimente, unde aceste geluri sunt un ingredient obișnuit, precum și deschiderea ușilor în aplicații care variază de la purificarea apei. eliminarea deșeurilor nucleare, care utilizează aceste geluri coloidale într-o formă cristalină, poroasă numită zeoliți.

„Credem că această nouă imagine generală și înțelegerea gelificației și a proceselor de îmbătrânire ulterioare sunt cruciale pentru oamenii de știință care lucrează la materiale moi”, a spus Gareth McKinley, profesor la Școala de Inginerie Inovațională de Formare și profesor de inginerie mecanică al MIT.

„Rezultatele noastre permit cercetătorilor să determine de ce gelurile coloidale slabe prezintă aspecte atât ale comportamentului asemănător sticlei, cât și al gelului și să genereze gelurile să aibă proprietăți specifice sub acțiunea lor mecanică”, spune MIT. Engineering și primul autor al unui nou studiu emergent PNAS.

Cercetarea a fost realizată în cadrul cooperării internaționale cu participarea MIT, Laboratorul Național din Argonne, Centrul Național de Cercetare francez și Comisia franceză pentru energie alternativă și energie atomică.

Folosind geluri de aluminosilicat, care sunt utilizate pe scară largă la prepararea zeoliților, cercetătorii au depășit numeroasele dificultăți asociate cu caracterizarea acestor materiale foarte moi, care se schimbă constant în timp, precum și prezintă proprietăți diferite în funcție de rata de deformare. Keshavarz le compară comportamentul cu comportamentul lui Silly Putty, care se întinde dacă tragi încet, dar se rupe brusc dacă tragi repede.

De asemenea, gelurile îmbătrânesc rapid, ceea ce înseamnă că comportamentul mecanic pe care îl prezintă se schimbă rapid în timp, deși la rate diferite de deformare. O mare parte din cercetările anterioare s-au concentrat asupra studierii acestor materiale într-o stare matură, a spus Keshavarz.

“Nu au putut obține o imagine generală a gelului, deoarece fereastra experimentală a observațiilor lor a fost prea îngustă”, a spus Keshavarz.

Pentru acest studiu, cercetătorii au realizat că gelurile ar putea adapta procesul de îmbătrânire în avantajul lor folosind un cadru cunoscut sub numele de „suprapunere legată de timp”.

Ei au expus alumino-silicații la frecvențe repetate de deformare complexă cunoscute sub numele de ciripituri în timpul gelificării și proceselor de îmbătrânire ulterioare. Chipsurile, modelate pe baza unei secvențe de semnale de ecolocație produse de lilieci și delfini, testează rapid proprietățile schimbării materialelor moi.

Utilizând semnalele de cârlig de mai multe ori pe parcursul evoluției gelurilor, cercetătorii au dezvoltat o secvență care ar putea fi gândită ca un instantaneu informativ reprezentând proprietățile mecanice ale gelurilor, deoarece au întâlnit diferite frecvențe de deformare care acoperă opt comenzi. magnitudine (de exemplu, 0,0001 hertz până la 10 000 hertz).

„Acest lucru înseamnă că am luat în considerare comportamentul materialului pe o gamă foarte largă de frecvențe de inspecție”, spune Keshavarz, „de la o deformare foarte lentă la o deformare foarte rapidă”.

Imaginile obținute au oferit un profil cuprinzător al proprietăților mecanice ale gelurilor și au permis cercetătorilor să tragă concluzii: gelurile coloidale slabe, cunoscute și oral ca materiale pastă, prezintă proprietățile ambelor cupe și geluri. Înainte de acest studiu, perspectiva observațională limitată a cercetătorilor i-a determinat să concluzioneze că astfel de materiale erau geluri sau ochelari fără a observa ambele proprietăți într-un singur experiment.

„Un om de știință spune că este un gel, altul spune un pahar. Amândouă sunt adevărate ”, spune McKinley, comparând proprietățile gelurilor cu caramelele, care demonstrează aceleași principii de suprapunere care le leagă, sunt încălzite și pot fi moi, masticabile sau fragile și sticloase.

În plus față de studierea proprietăților lor mecanice în timpul gelificării și îmbătrânirii pentru a observa structura în evoluție a gelurilor de aluminosilicat, cercetătorii au folosit împrăștierea cu raze X. Acest lucru le-a permis să rezolve structura gelului din momentul în care componentele sale chimice erau mai mici decât lungimea de undă a luminii și, prin urmare, invizibile fără raze X. Procesul a permis cercetătorilor să observe structura fizică a gelurilor la patru magnitudini, mărind de la 1 micron la 0,1 nanometri.

Prin observarea gelurilor pe o scară spațială atât de mare, cercetătorii au descoperit că rețeaua de particule legate ca un fractal care se dezvoltă ca urmare a acumulării de particule în gel rămâne stabilă chiar și în afara punctului de gel. Rețeaua crește și se modifică în scară, adăugând clustere, dar structura de bază sau „coloana vertebrală” și geometria rămân aceleași.

Studiind materialele pe o scară spațială atât de mare și combinând aceste date cu informații simultane despre mișcarea mecanică a materialelor, cercetătorii au descoperit, de asemenea, că grupurile mari din rețea semănau cu vântul după deformare. material sticlos, în timp ce cuplurile sunt mai mici. McKinley susține că diferențele dintre timpul necesar pentru recuperarea saltelei cu spumă de memorie după ce o saltea tipică este comprimată în raport cu timpul în care a fost prea strânsă. Observarea acestei relații între dimensiunea clusterelor din material și rata de relaxare luminează și mai mult originea proprietăților specifice ale acestor materiale moi.

„Munca noastră deschide noi perspective”, spune Keshavarz, „și deschide calea către cercetători pentru a dezvolta o viziune mai largă asupra naturii acestor materiale de aluat”.

„Gelurile coloidale sunt un material omniprezent”, a spus Emanuela Del Gado, profesor asociat de fizică la Universitatea Georgetown care nu a participat la studiu, dar a lucrat anterior cu echipa MIT. „Fizica lor este importantă în multe industrii și tehnologii (de la alimente la vopsea, ciment, produse de îngrijire personală și aplicații biomedicale). Acest articol este prima încercare de a identifica potențial prin combinarea proprietăților microscopice care combină mecanica unui sistem de clasă largă. [the gels’] microstructură pentru comportamentul lor reologic. “

Referință: Bavand Keshavarz, Donatien Gomes Rodriguez, Jean-Baptiste Champenois, Matthew G. Frit, Jan Ilavsky, Michel Geri, Thibaut Divoux, Gareth H. McKinley și Arnaud Poulesquen, 13 aprilie 2021, Materiale ale Academiei Naționale de Științe.
DOI: 10.1073 / pnas.2022339118

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.