Termen "kolloidal gel" är kanske inte en hushållsfras, men exempel på dessa material finns överallt i vårt dagliga liv, från tandkräm och duschgel till majonnäs och yoghurt. Kolloidala geler är blandningar av partiklar suspenderade i vätska, och beroende på hur de manipuleras, dessa geler kan flyta som vätska eller hålla sin form som ett fast ämne.

Nu har MIT -forskare tittat in i mikrostrukturen hos kolloidala geler och identifierat en överraskande rik variation av beteenden hos dessa squishy, fasförsvarande material.

Teamet fångade filmer av kolloidala geler när de bildades, börjar som enskilda partiklar i vatten och utvecklas till tjocka, enhetlig goo. Forskarna zoomade in i olika storleksskalor för att observera någon aktivitet i det morfande materialet, och upptäckte en rad skalberoende beteenden.

Forskarna säger att deras resultat, rapporterade den 27 februari i tidningen Fysiska granskningsbrev , representerar den första omfattande studien av mikrostrukturen hos kolloidala geler. Arbetet kan hjälpa forskare att justera materialegenskaperna hos en mängd olika vanliga produkter.

Ett exempel som jag tänker på, säger studieförfattaren Irmgard Bischofberger, tar upp problemet med den ständigt närvarande vätskefilmen på ytan av de flesta yoghurter. Denna vätska kommer antingen ut ur huvuddelen av yoghurten under transporten, eller det sipprar ut som ett resultat av tyngdkraften, som yoghurten sitter på en hylla under en längre period.

"Du vill att yoghurten ska stå emot vibrationer och tyngdkraft och undvika att kollapsa, men du vill inte göra hela ditt material starkare på ett sätt så att det inte känns helt rätt när du äter det, "säger Bischofberger, biträdande professor i maskinteknik vid MIT. "Genom att veta all denna information om hur materialet beter sig över längdskalor kan du hitta sätt att ställa in en specifik aspekt av materialet."

Bischofbergers medförfattare är MIT-doktoranden Jae Hyung Cho och Roberto Cerbino vid University of Milan.

Ett enda skott

Forskare har vanligtvis utforskat mikrostrukturen hos kolloidala geler med hjälp av specialiserade laserinställningar för att sprida ljus i flera vinklar, att fånga information om ett material i olika längdskalor. Bischofberger säger att det skulle kräva många experimentella körningar för att fånga bilder av samma material vid varje upplösning.

MIT -teamets samarbetspartner, Cerbino, hade tidigare funnit att med ett enkelt optiskt mikroskop, med en upplösning som är tillräckligt skarp för att lösa allt från ett materials enskilda partiklar till dess bulkegenskaper, han kunde spela in filmer av materialet och sedan använda en datorkod för att analysera bilderna med föreskrivna pixellängder. Till exempel, koden kan ställas in för att analysera rörelserna inom flera pixlar, eller mellan hundratals pixlar, eller över hela bilden. På det här sättet, Cerbino kunde fånga dynamiken i ett material över alla längdskalor "i ett enda skott, "Säger Bischofberger.

Cerbino visade tidigare denna teknik, känd som differentiell dynamisk mikroskopi, eller DDM, genom att avbilda enskilda partiklar i en enkel lösning. För denna nya studie, laget applicerade DDM för att utforska kolloidala geler, en mer komplex materialklass.

"Dessa material har fascinerande egenskaper, "Cho säger." För att förstå dessa egenskaper, du måste förstå strukturerna som sträcker sig över olika längdskalor, från individuella partikelskalor på tiotals nanometer, till de strukturer de bildar, som sträcker sig över hundratals mikron. "

Våra kroppar, vårt mjuka jag

Cho designade först en kolloidal gel som gruppen enkelt kunde kontrollera och studera. Materialet är en blandning av vatten och polystyrenpartiklar, som Cho valde för sitt unika yttre skal. Varje partikel är omgiven av ett temperaturkänsligt skal som, vid låga temperaturer, liknar en taggig utsida som förhindrar att en partikel kommer för nära närliggande partiklar. Vid varmare temperaturer, skalet krymper effektivt, och partikelns naturliga attraktionskraft tar över, föra den närmare andra partiklar, som den sedan kan fästa vid.

Forskarna blandade partiklarna i olika koncentrationer med vatten och placerade varje prov på en termoelektrisk platta, som de ställde in under ett konventionellt optiskt mikroskop. De tog bilder av varje prov när de höjde tallrikens temperatur, och såg hur proverna utvecklades till en kolloidal gel, vänder sig från en mjölkaktig vätska, till en tjockare, yoghurtliknande konsistens.

Efteråt, de använde en datorkod baserad på Fourier -transform, en typ av bildbehandlingsteknik som sönderdelar en bild till olika frekvenser och rumsliga skalor, att automatiskt extrahera rörelsedata i olika längder, från enskilda partiklar till stora, anslutna partikelnätverk.

"Vi använder en enda film, består av många bilder av ett prov, och titta på provet genom olika fönster, "Säger Cho.

De fann att i minsta skala, enskilda partiklar tycktes röra sig fritt, vifta och vibrera runt varandra. När gelen utvecklades, enskilda partiklar klumpade ihop sig, bilda större trådar eller nätverk som rörde sig samman på ett mer begränsat sätt. I slutet av gelens bildning, flera partikelnätverk glommade på varandra över materialet, bildar en slags stel väv som rörde sig bara något, som en homogen struktur.

Strukturerna de observerade liknade ett självupprepande fraktalmönster, där enskilda partiklar fastnade för varandra i allt större nätverk och strukturer. Andra har observerat denna fraktala mönster i kolloidala geler, över ett visst intervall av längdskalor. Detta är första gången forskare har karaktäriserat beteendet hos kolloidala geler både inom och utanför detta fraktala område, samtidigt, och observerade olika beteenden - i det här fallet, rörelsegrader - över olika skalor.

"Det är denna överlagring av olika rörelseformer som ger kolloidala geler dessa extremt rika egenskaper, "Bischofberger säger." De kan bete sig som både flytande och fasta. Allt detta är en konsekvens av det faktum att det finns rörelse på så många olika längdskalor, och den rörelsen är annorlunda i olika skalor. "

Forskarna säger att deras nya metod kan användas för att utforska mikrostrukturen i andra mjuka material som biologiska vävnader och celler.

"Våra kroppar är mjuka material som kolloidala geler, "Cho noterar." Om vi ​​använder denna teknik för att studera biologiska system, detta kan hjälpa till att optimera läkemedelsleverans, vilket innebär att droger transporteras genom liknande nätverk. "

Lagets nya teknik, som är baserat på optiska mikroskop som är lättillgängliga i de flesta laboratorier, kan vara användbart för att inte bara karakterisera, men också anpassa egenskaperna hos mjuka material.

"Om jag vill ha ett starkt material, måste jag leka med vad som händer i de minsta skalorna eller i största skala? "säger Bischofberger." Till exempel, om du vill ha något med hög hållfasthet men med en mjuk konsistens, vad skulle jag behöva göra för att få ett sådant system? Att ha all denna mikrostrukturinformation hjälper dig att veta var du ska börja med design. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.