Från tandkräm du klämmer på din borste först på morgonen till yoghurten du slurpar ner till sköljmedel som håller din pyjamas mysig och mjuk, geler finns överallt i konsumentprodukter, mat, och i industriella tillämpningar, för.

Dock, tills nu, forskare har inte kunnat förklara de mikroskopiska strukturerna inom gelerna som ger deras elasticitet, eller fjädrande, inte heller hur dessa strukturer bildas. Ett team av forskare från University of Delaware, Massachusetts Institute of Technology, North Carolina State University och University of Michigan upptäckte att gelernas elasticitet härrör från packning av partiklar i gelerna, som gruppen kallade lokalt glasartade kluster.

Denna forskning, beskrivs i en artikel publicerad i tidningen Naturkommunikation , kan hjälpa människor att konstruera bättre material och produkter i mikroskala. Denna insikt kan hjälpa företag i konsumentprodukter, bioteknik, och jordbrukssektorerna och därefter.

Många företag formulerar och säljer gelprodukter, och ibland, gelens stelhet förändras till följd av instabilitet. Eric Furst, professor och ordförande för UD:s institution för kemisk och biomolekylär teknik och en av tidningens motsvarande författare, förvarar en gammal flaska sköljmedel på en hylla på sitt kontor och använder den för att demonstrera vad som händer när geler separeras eller "kollapsar". Produkten ska vara lätt att hälla, men när det går dåligt, det blir slarvigt och oattraktivt.

"Våra resultat ger insikt i hur man konstruerar klusterstorleksfördelning för att kontrollera styvhet, flöde, och stabilitet hos gelmaterial, sa Furst.

Den första författaren till den nya tidningen är Kathryn A. Whitaker, som tog en doktorsexamen i kemiteknik från UD 2015 och nu är senior forskningsingenjör på Dow i Midland, Michigan.

Undersökande geler

Geler är halvfasta material som flyter som vätskor men innehåller fasta partiklar, för. När forskare undersöker dessa ämnen under ett mikroskop, de ser att de fasta partiklarna i gelerna bildar ett nätverk, som strukturen i en byggnad. För att få ämnet att flöda så att du kan pressa det eller sprida det tunt, du måste bryta den strukturen. När detta kräver mycket kraft, ämnet är styvt och har en hög elastisk modul. När mindre kraft krävs, ämnet flyter lätt och har en lägre elastisk modul.

Forskargruppen som leds av Furst studerade en gel gjord av partiklar av poly (metylmetakrylat) latex (PMMA), allmänt känd som akryl, dispergerad i en blandning av två färglösa vätskor, cyklohexan och cyklohexylbromid. De fann att denna gel var sammansatt av glasartade kluster av partiklar kopplade till varandra med svaga områden däremellan. För att förstå hur dessa kluster bidrog till gelens egenskaper, laget ville bestämma gränserna där varje kluster började och slutade.

"Det här är som Facebook, "sa Furst." Vi försökte ta reda på - vem är lokalt ansluten till vem? "

Samarbetare James W. Swan, biträdande professor i kemiteknik vid MIT, genomförde simuleringar för att utforska fysiken bakom klustren. Han tillämpade sedan grafteori, den matematiska studien av grafer, till simuleringsdata för att ta reda på vilka kluster som är anslutna till varandra, identifiera kanterna på varje grupp och färgkoda klusterna. Det var som att definiera gränserna för blandande vängrupper.

Nästa, forskarna jämförde simuleringsresultaten med fysiska studier av gelerna och bekräftade att anslutningarna och fördelningarna matchade deras förutsägelser. De bestämde att hur dessa lokalt glasartade kluster packas samman bestämmer materialets elastiska modul. De sammankopplade klustren fungerar som styva, bärande enheter i gelén.

"Tills nu, ingen hade sett och beskrivit hur dessa kluster packades och hur de påverkade elasticiteten, "sa Furst." Vi tog ihop pusslet. "

Tidningens författare inkluderar också Zsigmond Varga, en processutvecklingsingenjör på ExxonMobil; Lilian C. Hsiao, en biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik vid North Carolina State University och Michael J. Solomon, professor i kemiteknik och dekan och viceprost för akademiska frågor, Doktorandstudier, Rackham Graduate School vid University of Michigan.

Det här dokumentet var många år på gång när utredarna följde upp kvarstående frågor som störde dem och fick dem att fortsätta arbeta.

"Denna upptäckt var resultatet av lagarbetet hos de viktigaste utredarna, våra elevers experimentella färdigheter, och passionen och uthålligheten vi alla tog med oss ​​när vi arbetade igenom detta problem, sa Furst.