Forskare vid Institute of Industrial Science vid University of Tokyo studerade en ny metod för att skapa halvfasta kolloidala system med mindre intern mekanisk stress genom att fördröja nätverksbildning. Detta arbete kan hjälpa forskare att bättre förstå biologiska processer som involverar cytoplasma.

Inom mjuk materiens fysik, geler är en relativt bekant syn. Vissa partikelsuspensioner kan förvandlas till en halvfast när partiklar går samman för att bilda ett styvt nätverk. Tänk på Jell-O, där en soppig blandning av gelatinproteiner blir en utsökt, fristående dessert. Gels spelar viktiga roller i biologin, och kan vara inblandade i hur celler rör sig och reagerar på förändrade yttre förhållanden.

Forskare vid University of Tokyo studerade mekanismen genom vilken dispergerade partiklar, kallas kolloider, gå samman under gelning. De flesta gelnät tros bildas innan dynamisk rörelse stannar, vilket leder till inbyggd mekanisk spänning. Om skapandet av nätverken kan försenas, de kunde göras fria från sådan stress och mer stabila.

"Ett nät under mekanisk spänning sträcks och bryts ibland. Konventionella kolloidala geler lider av sådan stress, och sålunda, är inte så stabila. Stressfria geler är fria från detta problem, "författaren Hideyo Tsurusawa förklarar.

Teamet fann att nätverksbildning (perkolering) sker efter bildandet av en mekaniskt stabil struktur och upphörandet av partikelrörelse för en lägre koncentration av kolloidala partiklar jämfört med den vid vilken traditionella geler bildas. Forskarna använde konfokalmikroskopi och datorsimuleringar för att bättre förstå både konventionell och stressfri gelning. System med fluorescensmärkta poly (metylmetakrylat) -kolloider kunde övervakas för att se hur lång tid det tog för nätverk att bildas och för att partikelrörelser kunde stoppas.

Valet mellan dessa två typer av gelering bestäms av det stora och små förhållandet mellan de två karakteristiska tiderna, d.v.s. 'tid tills den mekaniskt stabila strukturen bildas' och 'tid till perkolering'. Vidare, när interaktionen mellan partiklarna är kort avstånd, det stora och det lilla förhållandet bestäms enbart av kolloidens volymfraktion.

"Vi fann att kolloidal gelning universellt kan grupperas i de två typerna. Denna universella klassificering av gelering av partikelsystem förväntas ge ett betydande bidrag till förståelsen av gelering inom mjuk materia och biologi, "säger författaren Hajime Tanaka." Våra resultat kan tillämpas på att utveckla nya industriella processer som skapar halvfasta produkter, inklusive livsmedel, mer effektivt."