Van de tandpasta die je 's ochtends als eerste in je borstel knijpt tot de yoghurt die je slurpt tot de wasverzachter die je pyjama lekker zacht en knus houdt, gels zijn alomtegenwoordig in consumentenproducten, voedsel, en in industriële toepassingen, te.

Echter, tot nu, wetenschappers zijn niet in staat geweest de microscopische structuren in gels te verklaren die hun elasticiteit verlenen, of veerkracht, noch hoe die structuren worden gevormd. Een team van wetenschappers van de Universiteit van Delaware, Massachusetts Institute of Technology, North Carolina State University en University of Michigan ontdekten dat de elasticiteit van gels voortkomt uit de pakking van clusters van deeltjes in de gels, die de groep lokaal glazige clusters noemde.

Dit onderzoek, beschreven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , zou mensen kunnen helpen om op microschaal betere materialen en producten te ontwikkelen. Dit inzicht kan bedrijven helpen in de consumentenproducten, biotechnologie, en landbouwsectoren en daarbuiten.

Veel bedrijven formuleren en verkopen gelproducten, en soms, de stijfheid van gels verandert als gevolg van instabiliteit. Eric Furst, professor en voorzitter van UD's Department of Chemical and Biomolecular Engineering en een van de corresponderende auteurs van het artikel, houdt een oude fles wasverzachter op een plank in zijn kantoor en gebruikt het om te laten zien wat er gebeurt als gels scheiden of "instorten". Het product moet gemakkelijk te gieten zijn, maar als het slecht gaat, het wordt gloppy en onaantrekkelijk.

"Onze resultaten geven inzicht in hoe clustergrootteverdeling kan worden ontworpen om stijfheid te beheersen, stromen, en stabiliteit van gelmaterialen, ' zei Furst.

De eerste auteur van het nieuwe artikel is Kathryn A. Whitaker, die in 2015 een doctoraat in chemische technologie behaalde aan de UD en nu senior onderzoeksingenieur is bij Dow in Midland, Michigan.

Gels onderzoeken

Gels zijn halfvaste materialen die stromen als vloeistoffen maar vaste deeltjes bevatten, te. Wanneer wetenschappers deze stoffen onder een microscoop onderzoeken, ze zien dat de vaste deeltjes in gels een netwerk vormen, zoals de structuur van een gebouw. Om de substantie te laten vloeien zodat je het kunt uitknijpen of dun uitsmeren, je moet die structuur doorbreken. Wanneer dit veel kracht vereist, de stof is stijf en heeft een hoge elasticiteitsmodulus. Als er minder kracht nodig is, de stof vloeit gemakkelijk en heeft een lagere elasticiteitsmodulus.

De onderzoeksgroep onder leiding van Furst bestudeerde een gel gemaakt van deeltjes van poly(methylmethacrylaat)latex (PMMA), algemeen bekend als acryl, gedispergeerd in een mengsel van twee kleurloze vloeistoffen, cyclohexaan en cyclohexylbromide. Ze ontdekten dat deze gel was samengesteld uit glasachtige clusters van deeltjes die met elkaar verbonden waren met daartussen zwakke plekken. Om te begrijpen hoe deze clusters hebben bijgedragen aan de eigenschappen van de gel, het team wilde de grenzen bepalen waar elk cluster begon en eindigde.

"Dit is net als Facebook, "zei Furst. "We probeerden erachter te komen - wie is lokaal verbonden met wie?"

Medewerker James W. Swan, assistent-professor chemische technologie aan het MIT, simulaties uitgevoerd om de fysica achter de clusters te onderzoeken. Vervolgens paste hij grafentheorie toe, de wiskundige studie van grafieken, naar de simulatiegegevens om erachter te komen welke clusters met elkaar verbonden zijn, identificeer de randen van elke groep en kleurcode de clusters. Het was alsof ik de grenzen afbakende van vermengde vriendengroepen.

Volgende, de onderzoekers vergeleken de simulatieresultaten met fysieke studies van de gels en bevestigden dat de verbindingen en distributies overeenkwamen met hun voorspellingen. Ze stelden vast dat de manier waarop deze lokaal glasachtige clusters zich samenpakken, de elasticiteitsmodulus van het materiaal bepaalt. De onderling verbonden clusters werken als rigide, dragende eenheden in de gel.

"Tot nu, niemand had gezien en beschreven hoe deze clusters samenpakten en hoe ze de elasticiteit beïnvloedden, ' zei Furst. 'We hebben de puzzel bij elkaar gebracht.'

Tot de auteurs van het artikel behoren ook Zsigmond Varga, een procesontwikkelingsingenieur bij ExxonMobil; Lilian C. Hsiao, een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering aan de North Carolina State University en Michael J. Solomon, een professor in de chemische technologie en decaan en vice-provoost voor academische zaken, Afgestudeerde studies, Rackham Graduate School aan de Universiteit van Michigan.

Dit document was jaren in de maak toen de onderzoekers een vervolg gaven aan slepende vragen die hen dwarszaten en hen ertoe aanzetten door te blijven werken.

"Deze ontdekking was het resultaat van het teamwork van de hoofdonderzoekers, de experimentele vaardigheden van onze studenten, en de passie en vasthoudendheid die we allemaal meebrachten toen we aan dit probleem werkten, ' zei Furst.