De term "colloïdale gel" is misschien geen huishoudelijke uitdrukking, maar voorbeelden van deze materialen zijn overal in ons dagelijks leven, van tandpasta en douchegel tot mayonaise en yoghurt. Colloïdale gels zijn mengsels van deeltjes gesuspendeerd in vloeistof, en afhankelijk van hoe ze worden gemanipuleerd, deze gels kunnen vloeien als vloeistof of hun vorm behouden als een vaste stof.

Nu hebben MIT-onderzoekers in de microstructuur van colloïdale gels gekeken en een verrassend rijke verscheidenheid aan gedragingen geïdentificeerd in deze squishy, fase-tartende materialen.

Het team maakte films van colloïdale gels terwijl ze zich vormden, beginnend als individuele deeltjes in water en evoluerend naar dikke, uniform goo. De onderzoekers zoomden in op verschillende grootteschalen om elke activiteit in het morphing-materiaal te observeren, en ontdekte een reeks schaalafhankelijke gedragingen.

De onderzoekers zeggen hun bevindingen, gerapporteerd op 27 februari in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , vertegenwoordigen de eerste uitgebreide studie van de microstructuur van colloïdale gels. Het werk kan wetenschappers helpen om de materiaaleigenschappen van een verscheidenheid aan veelvoorkomende producten af ​​te stemmen.

Een voorbeeld dat in me opkomt, zegt studie co-auteur Irmgard Bischofberger, pakt het probleem aan van de altijd aanwezige vloeistoffilm op het oppervlak van de meeste yoghurt. Deze vloeistof wordt tijdens het transport uit de yoghurt geduwd, of het sijpelt eruit als gevolg van de zwaartekracht, omdat de yoghurt gedurende een langere periode op een plank ligt.

"Je wilt dat de yoghurt bestand is tegen trillingen en zwaartekracht en niet instort, maar je wilt niet je hele materiaal sterker maken op een manier dat het niet goed aanvoelt als je het eet, " zegt Bischofberger, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het MIT. "Als je al deze informatie kent over hoe het materiaal zich over lengteschalen gedraagt, kun je manieren vinden om een ​​specifiek aspect van het materiaal af te stemmen."

Bischofbergers co-auteurs zijn MIT-student Jae Hyung Cho en Roberto Cerbino van de Universiteit van Milaan.

Een enkel schot

Wetenschappers hebben doorgaans de microstructuur van colloïdale gels onderzocht met behulp van gespecialiseerde laseropstellingen om licht onder meerdere hoeken te verstrooien, om informatie over een materiaal op verschillende lengteschalen vast te leggen. Bischofberger zegt dat er veel experimentele runs nodig zijn om beelden van hetzelfde materiaal bij elke resolutie vast te leggen.

De medewerker van het MIT-team, Cerbino, had eerder ontdekt dat met behulp van een eenvoudige optische microscoop, met een resolutie die scherp genoeg is om alles op te lossen, van de individuele deeltjes van een materiaal tot zijn bulkeigenschappen, hij kon films van het materiaal opnemen en vervolgens een computercode gebruiken om de beelden op voorgeschreven pixellengtes te analyseren. Bijvoorbeeld, de code kan worden ingesteld om de bewegingen binnen enkele pixels te analyseren, of tussen honderden pixels, of over de hele afbeelding. Op deze manier, Cerbino was in staat om de dynamiek van een materiaal over alle lengteschalen "in één opname vast te leggen, ' zegt Bischofberger.

Cerbino heeft deze techniek eerder gedemonstreerd, bekend als differentiële dynamische microscopie, of DDM, door individuele deeltjes in een eenvoudige oplossing af te beelden. Voor deze nieuwe studie het team paste DDM toe om colloïdale gels te onderzoeken, een meer complexe klasse van materialen.

"Deze materialen hebben fascinerende eigenschappen, " zegt Cho. "Om deze eigenschappen te begrijpen, je moet de structuren begrijpen die verschillende lengteschalen overspannen, van individuele deeltjesschalen van tientallen nanometers, naar de structuren die ze vormen, die honderden microns overspannen."

Onze lichamen, ons zachte zelf

Cho ontwierp eerst een colloïdale gel die de groep gemakkelijk kon controleren en bestuderen. Het materiaal is een mengsel van water en polystyreendeeltjes, die Cho koos voor hun unieke buitenste schil. Elk deeltje is omgeven door een temperatuurgevoelige schil die, bij lage temperaturen, lijkt op een stekelige buitenkant die voorkomt dat een deeltje te dicht bij naburige deeltjes komt. Bij warmere temperaturen, de schaal krimpt effectief, en de natuurlijke aantrekkingskracht van het deeltje neemt het over, het dichter bij andere deeltjes brengen, waaraan het zich dan kan hechten.

De onderzoekers vermengden de deeltjes in verschillende concentraties met water en plaatsten elk monster op een thermo-elektrische plaat, die ze onder een conventionele optische microscoop zetten. Ze namen foto's van elk monster terwijl ze de temperatuur van de plaat verhoogden, en zag hoe de monsters evolueerden tot een colloïdale gel, veranderen van een melkachtige vloeistof, naar een dikkere, yoghurtachtige consistentie.

Nadien, ze gebruikten een computercode op basis van Fourier-transformatie, een type beeldverwerkingstechniek die een beeld ontleedt in verschillende frequenties en ruimtelijke schalen, om automatisch bewegingsgegevens op verschillende lengteschalen te extraheren, van individuele deeltjes tot grote, verbonden deeltjesnetwerken.

"We gebruiken een enkele film, samengesteld uit vele afbeeldingen van een monster, en bekijk het monster door verschillende vensters, ' zegt Cho.

Ze vonden dat, op de kleinste schaal, individuele deeltjes leken vrij te bewegen, wiebelen en trillen om elkaar heen. Naarmate de gel evolueerde, individuele deeltjes klonterden samen, grotere strengen of netwerken vormen die op een meer beperkte manier naar elkaar toe bewegen. Aan het einde van de vorming van de gel, meerdere deeltjesnetwerken glommen op elkaar over het materiaal, vormde een soort stijf web dat slechts weinig bewoog, als één homogene structuur.

De structuren die ze observeerden leken op een zichzelf herhalend fractaal patroon, waarin individuele deeltjes in steeds grotere netwerken en structuren aan elkaar plakten. Anderen hebben deze fractale patronen waargenomen in colloïdale gels, over een bepaald bereik van lengteschalen. Dit is de eerste keer dat wetenschappers het gedrag van colloïdale gels hebben gekarakteriseerd, zowel binnen als buiten dit fractale bereik, tegelijkertijd, en observeerde verschillende gedragingen - in dit geval bewegingsgraden - over verschillende schalen.

"Het is deze superpositie van verschillende bewegingsmodi die colloïdale gels deze extreem rijke eigenschappen geeft, " zegt Bischofberger. "Ze kunnen zich zowel vloeibaar als vast gedragen. Dat is allemaal een gevolg van het feit dat er beweging is op zoveel verschillende lengteschalen, en die beweging is anders op verschillende schalen."

De onderzoekers zeggen dat hun nieuwe methode kan worden gebruikt om de microstructuur van andere zachte materialen zoals biologische weefsels en cellen te onderzoeken.

"Onze lichamen zijn zachte materialen zoals colloïdale gels, Cho merkt op. "Als we deze techniek gebruiken om biologische systemen te bestuderen, dit zou kunnen helpen bij het optimaliseren van de medicijnafgifte, wat inhoudt dat drugs via vergelijkbare netwerken worden vervoerd."

De nieuwe techniek van het team, die is gebaseerd op optische microscopen die in de meeste laboratoria gemakkelijk toegankelijk zijn, kan niet alleen nuttig zijn bij het karakteriseren, maar ook het afstemmen van de eigenschappen van zachte materialen.

"Als ik een sterk materiaal wil, moet ik spelen met wat er gebeurt op de kleinste schaal of de grootste schaal?" zegt Bischofberger. "Bijvoorbeeld, als je iets wilt met een hoge sterkte maar met een gladde textuur, wat moet ik dan doen om zo'n systeem te krijgen? Met al deze informatie over de microstructuur weet je waar je moet beginnen met ontwerpen."

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.