Onderzoekers van MIT hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het bepalen van de structuur en het gedrag van een klasse van veelgebruikte zachte materialen die bekend staat als zwakke colloïdale gels. die in alles terug te vinden zijn, van cosmetica tot bouwmaterialen. De studie karakteriseert de gels over hun hele evolutie, als ze veranderen van minerale oplossingen naar elastische gels en vervolgens glasachtige vaste stoffen.

Het werk onthult de microstructurele mechanismen die ten grondslag liggen aan hoe de gels op natuurlijke wijze in de loop van de tijd veranderen, en hoe hun elastische eigenschappen ook veranderen, zowel in de tijd als afhankelijk van de snelheid waarmee ze experimenteel worden vervormd. Deze karakterisering zou verdere studie mogelijk moeten maken, voorspelling, en misschien manipulatie van het gedrag van de gels, deuren openen voor vooruitgang op gebieden als de levering van medicijnen en voedselproductie, waarin deze gels veel voorkomende ingrediënten zijn, evenals in toepassingen variërend van waterzuivering tot verwijdering van nucleair afval, die deze colloïdale gels gebruiken in een gekristalliseerde, poreuze vorm bekend als zeolieten.

"Wij geloven dat dit nieuwe algemene beeld en begrip van de gelering en het daaropvolgende verouderingsproces van groot belang is voor materiaalwetenschappers die aan zachte materie werken, " zegt Gareth McKinley, de School of Engineering Professor of Teaching Innovation en hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT.

"Onze resultaten stellen onderzoekers in staat om te bepalen waarom zwakke colloïdale gels aspecten van zowel glasachtig als gelachtig gedrag vertonen, en om de gels mogelijk te manipuleren om bepaalde gewenste eigenschappen te hebben in hun mechanische respons, " zegt Bavand Keshavarz, een postdoc in de afdeling Werktuigbouwkunde van MIT en eerste auteur van de nieuwe studie, die verschijnt in PNAS .

Het onderzoek is uitgevoerd als onderdeel van een internationale samenwerking met MIT, Argonne Nationaal Laboratorium, het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, en de Franse commissie voor alternatieve energie en atoomenergie.

Met behulp van aluminosilicaatgels, veel gebruikt voor het maken van zeolieten, de onderzoekers hebben veel van de uitdagingen overwonnen die gepaard gaan met het karakteriseren van deze zeer zachte materialen, die in de loop van de tijd voortdurend veranderen, evenals het vertonen van verschillende eigenschappen, afhankelijk van de snelheid waarmee die worden vervormd. Keshavarz vergelijkt hun gedrag met dat van Silly Putty, die zich uitrekt en stroomt als je er langzaam aan trekt, maar breekt scherp af als je er snel aan trekt.

De gels verouderen ook snel, wat betekent dat het mechanische gedrag dat ze vertonen, hoewel al gevarieerd met verschillende vervormingssnelheden, veranderen snel in de tijd. De meeste eerdere studies waren gericht op het bestuderen van deze materialen in hun volwassen staat, zegt Kesjavarz.

"Ze konden geen algemeen beeld van de gel krijgen omdat het experimentele venster van hun waarnemingen nogal smal was, ' zegt Kesjavarz.

Voor deze studie is de onderzoekers realiseerden zich dat ze het verouderingsproces van de gels in hun voordeel konden gebruiken via een raamwerk dat bekend staat als 'time-connectivity superposition'.

Ze onderwierpen de aluminosilicaten aan een herhaalde reeks complexe vervormingsfrequenties die bekend staan ​​als chirps tijdens de gelering en daaropvolgende verouderingsprocessen. piept, gemodelleerd naar de echolocatiesignaalsequenties geproduceerd door vleermuizen en dolfijnen, test zeer snel de eigenschappen van veranderende zachte materialen.

Door herhaaldelijk de chirp-signalen toe te passen tijdens de evolutie van de gels, de onderzoekers ontwikkelden een reeks van wat zou kunnen worden beschouwd als informatieve momentopnamen die de mechanische eigenschappen van de gels vertegenwoordigen, aangezien ze werden onderworpen aan een breed scala aan vervormingsfrequenties die meer dan acht ordes van grootte overspannen (bijvoorbeeld van 0,0001 hertz tot 10, 000 hertz).

"Dit betekent dat we hebben gekeken naar het materiaalgedrag over een zeer breed scala aan meetfrequenties, " zegt Kesjavarz, "van zeer langzame vervormingen tot zeer snelle."

De resulterende snapshots gaven een uitgebreid profiel van de mechanische eigenschappen van de gels, waardoor de onderzoekers konden concluderen dat zwakke colloïdale gels, ook in de volksmond bekend als pasteuze materialen, een tweeledig karakter hebben, met kenmerken van zowel glazen als gels. Voorafgaand aan deze studie, de beperkte observatieperspectieven van onderzoekers leidden ertoe dat ze concludeerden dat dergelijke materialen ofwel gels of glazen waren, niet beide kenmerken in een enkel experiment hebben waargenomen.

"Een wetenschapper zegt dat het een gel is, en de ander zegt dat het een glas is. Ze hebben allebei gelijk, " zegt Mc Kinley, het vergelijken van de kenmerken van de gels met die van karamel, die dezelfde principes van tijd-connectiviteitssuperpositie vertonen als ze worden verwarmd en die ofwel zacht en taai of broos en glazig kunnen zijn.

Om de evoluerende structuur van aluminosilicaatgels te observeren, naast het onderzoeken van hun mechanische eigenschappen tijdens het gelerings- en verouderingsproces, de onderzoekers pasten röntgenverstrooiing toe. Hierdoor konden ze de structuur van de gel oplossen vanaf het moment dat de chemische componenten kleiner waren dan de golflengte van licht en daarom onzichtbaar zonder de penetratie van röntgenstralen. Het proces stelde de onderzoekers in staat om de fysieke structuur van de gels te observeren op lengteschalen van meer dan vier ordes van grootte, inzoomen van een schaal van 1 micron tot die van 0,1 nanometer.

Door de gels op zulke brede ruimtelijke schalen te observeren, de onderzoekers ontdekten dat het fractal-achtige netwerk van verbonden deeltjes dat zich ontwikkelt als de deeltjes clusteren tot een gel, gefixeerd blijft voorbij het gelpunt. Het netwerk groeit en voegt clusters toe, van schaal veranderen, maar de hoofdstructuur of "ruggengraat" en geometrie blijven hetzelfde.

Het onderzoeken van de materialen op zulke wijdverbreide ruimtelijke schalen en het combineren van deze informatie met de gelijktijdige informatie over het mechanische gedrag van de materialen, de onderzoekers concludeerden ook dat grotere clusters binnen het netwerk langzamer op een gelachtige manier ontspanden nadat ze waren vervormd, terwijl de kleinere clusters sneller ontspanden als een stijf glasachtig materiaal. McKinley maakt de analogie met de duidelijke verschillen die we ervaren tussen de tijd die een traagschuimmatras nodig heeft om te herstellen van het samendrukken en de tijd die een zeer harde conventionele matras nodig heeft. Het observeren van deze relatie tussen de grootte van clusters in het materiaal en de mate van ontspanning werpt meer licht op de oorsprong van de onderscheidende eigenschappen van deze zachte materialen.

"Ons werk opent een nieuw perspectief, " zegt Kesjavarz, "en effent het pad voor onderzoekers om een ​​meer alomvattend beeld te krijgen van de aard van deze pasteuze materialen."

"Colloïdale gels zijn alomtegenwoordige materialen, " zegt Emanuela Del Gado, universitair hoofddocent aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Georgetown, die niet bij dit onderzoek betrokken was, maar in het verleden heeft samengewerkt met het MIT-team. "Hun fysica is belangrijk in zoveel industrieën en technologieën (van voedsel tot verf, cementeren, persoonlijke verzorgingsproducten en biomedische toepassingen). Dit artikel is de eerste poging om de microscopische eigenschappen te identificeren die de mechanica van een potentieel brede klasse van systemen verenigen, door de microstructuur van [de gels] te verbinden met hun reologische gedrag."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.