Mikrogelsuspensioner som består av mikroskopiska vätskefyllda polymerpartiklar upptar ett konstigt fysiskt tillstånd någonstans mellan flytande och fast, ge dem unika egenskaper och potentiella användningsområden i självläkande strukturer, optiskt aktiva material, mikroreaktorer, system för läkemedelsleverans, och mallar för att regenerera levande strukturer som ben och muskler.

Med hjälp av storskaliga datorsimuleringar, forskare vid Georgia Institute of Technology har nu kartlagt det överraskande beteendet och mekaniken hos dessa komplexa partikellösningsmedelssystem, lära sig hur de "mjuka och squishy" partiklarna deformeras, svälla, avsvälla, och penetrera varandra när de reagerar på kompression. Fynden kan hjälpa till att vägleda designen av mikrogelbaserade applikationer med unika och användbara egenskaper.

"Vi ville förstå vad som händer med dessa partiklar om du sätter ihop dem och börjar komprimera dem, sa Alexander Alexeev, professor och Anderer Faculty Fellow vid Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Till skillnad från stela partiklar som fyller det tillgängliga utrymmet och sedan slutar komprimera, dessa partiklar har flera processer som kan arbeta parallellt inuti suspensionen. Mikrogeler kan ändra form, krympa, och tränga in i varandra. Vi fann att dessa processer spelar en varierande roll när du ökar partikeltätheten och komprimerar dem tillräckligt."

Resultaten av studien rapporterades 19 oktober i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences . Forskningen stöddes av National Science Foundation (NSF) och MCIU/AEI/FEDER EU, och simuleringar använde NSF:s Extreme Science and Engineering Discovery Environment.

Med hjälp av mesoskala datorsimuleringar, forskarna studerade beteendet hos komprimerade suspensioner som består av formskiftande mikrogeler med olika arkitekturer vid en mängd olika packningsfraktioner och lösningsmedelsförhållanden. De fann att under kompression, de "fluffiga" mikrogelerna – som liknar mikroskopiska svampar med polymertrådar som sträcker sig från dem – ändrar form och krymper, med begränsad interpenetration bland partiklar.

"Du kan använda deras mjukhet och det faktum att de ändrar form för att packa dem ännu mer, " sa Alberto Fernandez-Nieves, ICREA Professor vid institutionen för kondenserad materiens fysik vid universitetet i Barcelona och adjungerad professor vid Georgia Tech's School of Physics. "Det finns en mängd olika mekanismer för att packa dem i en tillgänglig volym, och dessa mekanismer kan spela olika roll beroende på situationen. Fram till denna studie, vi visste inte riktigt hur mikrogelerna kunde packas ihop utöver slumpmässig tät packning."

Deras förmåga att frigöra lösningsmedel gör att mikrogelerna kan krympa och deformeras, till skillnad från hårda partiklar i vanliga kolloidala suspensioner. Dessutom, polymertrådarna tillåter dem att penetrera och överlappa varandra för att packa fler partiklar i ett givet utrymme. Mikrogelpartiklarna varierar i storlek från 50 nanometer upp till så mycket som 10 mikrometer i diameter. I sina simuleringar, Alexeev, Fernandez-Nieves, och nyligen Ph.D. Graduate Svetoslav Nikolov studerade suspensioner innehållande ett hundratal mikrogelpartiklar.

"Deras kompressibilitet är en ny ingrediens som inte finns i andra mjuka partiklar, och det kan åstadkomma de fascinerande och unika aspekterna av dessa mikrogelsystem, ", sa Fernandez-Nieves. "Denna studie ger oss information som vi behöver för att utnyttja denna mjukhet för att uppnå saker som vi inte skulle kunna göra annars."

Simuleringarna gav information om effekterna av variabler såsom lösningsmedelstyp och kompressionsgrad på de mekaniska egenskaperna hos mikrogelerna i suspensionen.

"Om du tittar på de mekaniska egenskaperna hos suspensionen i olika lösningsmedel, du ser att kurvorna är väldigt olika, " sa Alexeev. "Om de är svullna, de är fluffiga och kan röra sig i upphängningen. Om de driver ut lösningsmedel, de kan bli nästan torra, så de mekaniska egenskaperna kan förändras dramatiskt. Det vi hittade är överraskande och inte alls vad folk förväntade sig."

Bland de viktigaste grundläggande fynden är att de mekaniska egenskaperna hos suspensionen kan kvantifieras i termer av den enkla mikrogelbulkmodulen. "Det är hur dessa partiklar komprimeras som bestämmer materialegenskaperna för hela suspensionen när den är tillräckligt koncentrerad, " sa Fernandez-Nieves.

"Du kan ha många olika typer av beteende, men när du skalar alla beteenden efter den faktiska kompressibiliteten hos en mikrogel, alla beteenden går ihop, ", tillade han. "Det betyder att denna kvantitet verkar vara den viktiga att överväga för att förstå de makroskopiska egenskaperna hos suspensionen."

Forskarna använde NSF:s Extreme Science and Engineering Discovery Environment för att simulera mikrogelsystemen. Även om beteendet hos vanliga partikelbaserade system kan tyckas enkelt att studera, kompressibiliteten hos mikrogelerna i kombination med komplexiteten hos polymertvärbindningen gjorde simuleringen ganska stor, Alexeev noterade.

"En enda partikel är redan ett ganska komplicerat system, ", sa han. "Den beräkningsmässiga komplexiteten gav resultat som vi hoppas kommer att uppmuntra experimentalister att ytterligare utforska vad dessa unika system kan göra."