Forskare vid MIT har utvecklat en ny metod för att bestämma strukturen och beteendet hos en klass av mycket använda mjuka material som kallas svaga kolloidala geler, som finns i allt från kosmetika till byggmaterial. Studien karakteriserar gelerna över hela deras utveckling, eftersom de övergår från minerallösningar till elastiska geler och sedan glasartade fasta ämnen.

Arbetet avslöjar de mikrostrukturella mekanismerna som ligger bakom hur gelerna förändras naturligt över tiden, och hur deras elastiska egenskaper också förändras, både över tiden och beroende på den hastighet med vilken de experimentellt deformeras. Denna karakterisering bör möjliggöra ytterligare studier, förutsägelse, och kanske manipulation av gelernas beteende, öppna dörrar för framsteg inom områden som läkemedelsleverans och livsmedelsproduktion, där dessa geler är vanliga ingredienser, såväl som i tillämpningar som sträcker sig från vattenrening till bortskaffande av kärnavfall, som använder dessa kolloidala geler i en kristalliserad, porös form känd som zeoliter.

"Vi tror att denna nya övergripande bild och förståelse av gelning och efterföljande åldringsprocessen är av stor betydelse för materialforskare som arbetar med mjuk materia, säger Gareth McKinley, Ingenjörshögskolan Professor i Teaching Innovation och professor i maskinteknik vid MIT.

"Våra resultat gör det möjligt för forskare att avgöra varför svaga kolloidala geler visar aspekter av både glasartat och gelliknande beteende, och att eventuellt konstruera gelerna så att de har speciella önskade egenskaper i deras mekaniska respons, " säger Bavand Keshavarz, en postdoc vid MIT:s institution för maskinteknik och första författare till den nya studien, som dyker upp i PNAS .

Forskningen utfördes som en del av ett internationellt samarbete med MIT, Argonne National Laboratory, det franska nationella centret för vetenskaplig forskning, och den franska kommissionen för alternativ energi och atomenergi.

Använda aluminosilikatgeler, används allmänt för att tillverka zeoliter, forskarna övervann många av utmaningarna i samband med att karakterisera dessa mycket mjuka material, som ständigt förändras över tid, samt uppvisa olika egenskaper beroende på i vilken takt de deformeras. Keshavarz liknar deras beteende med Silly Puttys, som sträcker sig och flyter om du drar långsamt, men bryter av kraftigt om du ger den ett snabbt ryck.

Gelerna åldras också snabbt, vilket innebär att de mekaniska beteenden de uppvisar, medan de redan varierar vid olika deformationshastigheter, förändras snabbt över tid. De flesta tidigare studier fokuserade på att studera dessa material i deras mogna tillstånd, säger Keshavarz.

"De kunde inte få en övergripande bild av gelén eftersom det experimentella fönstret för deras observationer var ganska smalt, " säger Keshavarz.

För denna studie, forskarna insåg att de kunde sätta gelernas åldringsprocess till sin fördel genom ett ramverk som kallas "time-connectivity superposition".

De utsatte aluminiumsilikaten för en upprepad serie av komplexa deformationsfrekvenser kända som pip under gelningen och efterföljande åldringsprocesser. Kvitter, modellerad efter ekolokaliseringssignalsekvenser producerade av fladdermöss och delfiner, testa mycket snabbt egenskaperna för att byta mjuka material.

Genom att upprepade gånger applicera chirp-signalerna under hela utvecklingen av gelerna, forskarna utvecklade en sekvens av vad som skulle kunna ses som informationsbilder som representerar gelernas mekaniska egenskaper när de utsattes för ett brett spektrum av deformationsfrekvenser som spänner över åtta storleksordningar (till exempel, från 0,0001 hertz till 10, 000 hertz).

"Detta betyder att vi har tittat på materialets beteende över ett mycket brett spektrum av sonderingsfrekvenser, " säger Keshavarz, "från mycket långsamma deformationer till mycket snabba."

De resulterande ögonblicksbilderna gav en omfattande profil av gelernas mekaniska egenskaper, så att forskarna kan dra slutsatsen att svaga kolloidala geler, även känd i vardagsspråk som pastaformiga material, har en dubbel natur, uppvisar egenskaper av både glas och geler. Före denna studie, forskarnas begränsade observationsperspektiv fick dem att dra slutsatsen att sådana material var antingen geler eller glas, inte ha observerat båda funktionerna i ett enda experiment.

"En forskare säger att det är en gel, och den andra säger att det är ett glas. De har båda rätt, säger McKinley, jämför gelernas egenskaper med karamellerna, som uppvisar samma principer för överlagring av tidsanslutning när de värms upp och kan vara antingen mjuka och sega eller spröda och glasiga.

För att observera den utvecklande strukturen hos aluminosilikatgeler, förutom att undersöka deras mekaniska egenskaper under gelnings- och åldringsprocessen, forskarna tillämpade röntgenspridning. Detta gjorde det möjligt för dem att lösa upp strukturen av gelén från när dess kemiska komponenter var mindre än ljusets våglängd och därför osynliga utan penetration av röntgenstrålar. Processen gjorde det möjligt för forskarna att observera gelernas fysiska struktur på längdskalor som sträckte sig över fyra storleksordningar, zooma in från en skala på 1 mikron ner till den på 0,1 nanometer.

Att observera gelerna i så vidsträckta rumsliga skalor, forskarna upptäckte att det fraktalliknande nätverk av sammankopplade partiklar som utvecklas när partiklarna samlas i en gel förblir fixerade bortom gelpunkten. Nätverket växer och lägger till kluster, förändras i skala, men huvudstrukturen eller "ryggraden" och geometrin förblir desamma.

Att undersöka materialen över sådana vittgående rumsliga skalor och kombinera denna information med den samtidiga informationen om materialens mekaniska beteende, forskarna drog också slutsatsen att större kluster inom nätverket slappnade av långsammare på ett gelliknande sätt efter att ha deformerats medan de mindre klustren slappnade av snabbare som ett styvt glasartat material. McKinley gör liknelsen till de markanta skillnaderna vi upplever mellan den tid det tar för en memory foam madrass att återhämta sig från att vara komprimerad jämfört med den tid en mycket hård konventionell madrass tar. Att observera detta förhållande mellan storleken på kluster i materialet och graden av avslappning kastar ytterligare ljus över ursprunget till dessa mjuka materials utmärkande egenskaper.

"Vårt arbete öppnar upp ett nytt perspektiv, " säger Keshavarz, "och banar väg för forskare att utveckla en mer heltäckande syn på naturen hos dessa pastaliknande material."

"Kolloidala geler är allestädes närvarande material, säger Emanuela Del Gado, docent vid Georgetown Universitys institution för fysik, som inte var involverad i denna forskning men har samarbetat med MIT-teamet tidigare. "Deras fysik är viktig i så många industrier och tekniker (från mat till färg, att cementera, personliga vårdprodukter och biomedicinska applikationer). Denna artikel är det första försöket att identifiera de mikroskopiska egenskaper som förenar mekaniken i en potentiellt bred klass av system, genom att koppla [gelernas] mikrostruktur till deras reologiska beteende."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.