Microgelsuspensies bestaande uit microscopisch kleine, met vloeistof gevulde polymeerdeeltjes, bevinden zich in een merkwaardige fysieke toestand ergens tussen vloeibaar en vast, waardoor ze unieke eigenschappen en potentieel gebruik in zelfherstellende structuren krijgen, optisch actieve materialen, microreactoren, afleversystemen voor medicijnen, en sjablonen voor het regenereren van levende structuren zoals botten en spieren.

Met behulp van grootschalige computersimulaties, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben nu het verrassende gedrag en de mechanica van deze complexe deeltjes-oplosmiddelsystemen in kaart gebracht, leren hoe de "zachte en squishy" deeltjes vervormen, zwellen, ontzwellen, en penetreren elkaar als ze reageren op compressie. De bevindingen kunnen helpen bij het ontwerpen van op microgel gebaseerde toepassingen met unieke en nuttige eigenschappen.

"We wilden in grote lijnen begrijpen wat er met deze deeltjes gebeurt als je ze samenvoegt en begint te comprimeren, " zei Alexander Aleksejev, professor en Ander Faculteit Fellow in Georgia Tech's George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "In tegenstelling tot harde deeltjes die de beschikbare ruimte vullen en dan stoppen met comprimeren, deze deeltjes hebben meerdere processen die parallel kunnen werken in de suspensie. Microgels kunnen van vorm veranderen, krimpen, en elkaar doordringen. We ontdekten dat deze processen een wisselende rol spelen wanneer je de deeltjesdichtheid verhoogt en ze voldoende comprimeert."

De bevindingen van de studie werden op 19 oktober in het tijdschrift gerapporteerd Proceedings van de National Academy of Sciences . Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation (NSF) en de MCIU/AEI/FEDER EU, en simulaties maakten gebruik van de Extreme Science and Engineering Discovery Environment van de NSF.

Met behulp van mesoschaal computersimulaties, de onderzoekers bestudeerden het gedrag van gecomprimeerde suspensies bestaande uit vormveranderende microgels met verschillende architecturen bij verschillende pakkingsfracties en oplosmiddelomstandigheden. Ze ontdekten dat onder compressie, de "pluizige" microgels - die lijken op microscopisch kleine sponzen met polymeerdraden die eruit steken - veranderen van vorm en krimpen, met beperkte interpenetratie tussen deeltjes.

"Je kunt hun zachtheid en het feit dat ze van vorm veranderen gebruiken om ze nog meer te verpakken, " zei Alberto Fernandez-Nieves, ICREA-hoogleraar in de afdeling fysica van de gecondenseerde materie aan de universiteit van Barcelona en adjunct-professor aan de Georgia Tech's School of Physics. "Er zijn verschillende mechanismen om ze in een beschikbaar volume te verpakken, en deze mechanismen kunnen afhankelijk van de situatie een andere rol spelen. Tot deze studie, we wisten niet precies hoe de microgels samen konden worden verpakt buiten willekeurige dichte verpakking."

Door hun vermogen om oplosmiddel af te geven, kunnen de microgels krimpen en vervormen, in tegenstelling tot harde deeltjes in reguliere colloïdale suspensies. In aanvulling, de polymeerdraden zorgen ervoor dat ze elkaar kunnen doordringen en overlappen om meer deeltjes in een bepaalde ruimte te verpakken. De microgeldeeltjes variëren in grootte van 50 nanometer tot wel 10 micron in diameter. In hun simulaties Alexejev, Fernandez-Nieves, en recente Ph.D. afgestudeerd Svetoslav Nikolov bestudeerde suspensies met ongeveer honderd microgeldeeltjes.

"Hun samendrukbaarheid is een nieuw ingrediënt dat niet aanwezig is in andere zachte deeltjes, en het kan de fascinerende en unieke aspecten van deze microgelsystemen tot stand brengen, " zei Fernandez-Nieves. "Deze studie geeft ons informatie die we nodig hebben om deze zachtheid te benutten om dingen te bereiken die we anders niet zouden kunnen doen."

De simulaties gaven informatie over de effecten van variabelen zoals het type oplosmiddel en de mate van compressie op de mechanische eigenschappen van de microgels in de suspensie.

"Als je kijkt naar de mechanische eigenschappen van de suspensie in verschillende oplosmiddelen, je ziet dat de rondingen heel verschillend zijn, "Zei Alexeev. "Als ze opgezwollen zijn, ze zijn pluizig en kunnen bewegen in de ophanging. Als ze oplosmiddel uitstoten, ze kunnen bijna droog worden, dus de mechanische eigenschappen kunnen drastisch veranderen. Wat we vonden is verrassend en helemaal niet wat mensen verwachtten."

Een van de belangrijkste fundamentele bevindingen is dat de mechanische eigenschappen van de suspensie kunnen worden gekwantificeerd in termen van de bulkmodulus van één microgel. "Het is hoe deze deeltjes samendrukken die de materiaaleigenschappen van de hele suspensie bepalen wanneer deze voldoende geconcentreerd is, ', aldus Fernandez-Nieves.

"Je kunt veel verschillende soorten gedrag vertonen, maar als je al het gedrag schaalt op basis van de feitelijke samendrukbaarheid van één microgel, al het gedrag komt samen, " voegde hij eraan toe. "Dat betekent dat deze hoeveelheid de belangrijkste lijkt te zijn om de macroscopische eigenschappen van de suspensie te begrijpen."

De onderzoekers gebruikten de Extreme Science and Engineering Discovery Environment van de NSF om de microgelsystemen te simuleren. Hoewel het gedrag van gewone op deeltjes gebaseerde systemen eenvoudig te bestuderen lijkt, de samendrukbaarheid van de microgels in combinatie met de complexiteit van de polymeerverknoping maakte de simulatie behoorlijk groot, merkte Alexejev op.

"Een enkel deeltje is al een behoorlijk ingewikkeld systeem, " zei hij. "De computationele complexiteit leverde bevindingen op waarvan we hopen dat ze experimentatoren zullen aanmoedigen om verder te onderzoeken wat deze unieke systemen kunnen doen."