„Koloidní gely“, které jsou v každodenních výrobcích všudypřítomné, odhalují svá tajemství evoluce

Tyto částice, které připomínají mikroskopické pletené vlněné kuličky, jsou ve skutečnosti anorganické částice zeolitu. Mikroporézní krystalické částice se tvoří srážením, jak se vyvíjejí koloidní aluminosilikátové hydrogely, počínaje jako vodný minerální roztok, poté do viskoelastického gelu a nakonec do měkké sklovité pevné látky. Zápočet: s laskavým svolením výzkumníků

Studie zkoumá mechanické vlastnosti těchto materiálů, jak se vyvíjejí z elastických gelů na sklovité pevné látky.

Výzkumní pracovníci v S vyvinuli novou metodu pro stanovení struktury a chování třídy široce používaných měkkých materiálů známých jako slabé koloidní gely, které lze nalézt ve všem, od kosmetiky až po stavební materiály. Studie charakterizuje gely během jejich vývoje při přechodu z minerálních roztoků na elastické gely a poté na sklovitou pevnou látku.

Práce odhaluje mikrostrukturální mechanismy, které jsou základem toho, jak se gely v průběhu času přirozeně mění a jak se mění také jejich elastické vlastnosti, a to jak v čase, tak v závislosti na rychlosti jejich experimentálního deformování. Tato charakteristika by měla umožnit další studium, predikci a případně manipulaci s chováním gelů a otevřít dveře pokroku v oblastech, jako je dodávka léků a výroba potravin, kde jsou tyto gely běžnými přísadami, a také v aplikacích od čištění vody po jaderné odstraňování odpadu, při kterém se tyto koloidní gely používají v krystalizované porézní formě známé jako zeolity.

„Věříme, že tento nový celkový obraz a pochopení gelace a následného stárnutí má velký význam pro vědce v oboru materiálů, kteří pracují na měkké hmotě,“ řekl Gareth McKinley, profesor výuky inovací na School of Engineering a profesor strojírenství na MIT.

„Naše výsledky umožňují vědcům určit, proč slabé koloidní gely vykazují aspekty jak sklovitého, tak gelovitého chování, a případně navrhnout, aby gely měly určité požadované vlastnosti ve své mechanické odezvě,“ říká Bavand Keshavarz, postdoktor v oddělení mechaniky MIT a hlavní autor nové studie, která se objeví v PNAS.

Výzkum byl proveden v rámci mezinárodní spolupráce zahrnující MIT, národní laboratoř Argonne, francouzské národní centrum pro vědecký výzkum a francouzskou komisi pro alternativní energii a atomovou energii.

Pomocí aluminosilikátových gelů, které se široce používají k výrobě zeolitů, vědci překonali mnoho výzev spojených s charakterizací těchto velmi měkkých materiálů, které se neustále mění v čase a mají různé vlastnosti v závislosti na rychlosti deformace. Keshavarz přirovnává své chování k chování Hloupého tmelu, který se rozpíná a plyne, když ho pomalu zatahujete, ale prudce se odlamuje, když ho rychle zatáhnete.

Gely také rychle stárnou, což znamená, že mechanické chování, které vykazují, se v průběhu času rychle mění, i když se již mění při různých rychlostech deformace. Většina předchozích studií se zaměřila na zkoumání těchto materiálů v jejich zralém stavu, říká Keshavarz.

„Nemohli získat celkový obraz gelu, protože experimentální okno jejich pozorování bylo dost úzké,“ říká Keshavarz.

Pro tuto studii si vědci uvědomili, že mohou využít procesu stárnutí gelů prostřednictvím rámce známého jako „překrytí časové konektivity“.

Aluminosilikáty podrobili opakované sérii složitých deformačních frekvencí známých jako chirp během gelovatění a následného stárnutí. Cvrlikání, modelované podle signálních sekvencí lokalizace ozvěny generovaných netopýry a delfíny, velmi rychle testuje vlastnosti měnících se měkkých materiálů.

Opakovaným používáním chirpových signálů během vývoje gelů vědci vyvinuli sekvenci takzvaných informačních snímků, které představují mechanické vlastnosti gelů, protože byly vystaveny širokému rozsahu deformačních frekvencí přes osm řádů (pro například od 0,0001 Hz do 10 000 Hz).

„To znamená, že jsme zkoumali chování materiálu ve velmi širokém rozsahu sondovacích frekvencí,“ říká Keshavarz, „od velmi pomalých až po velmi rychlé deformace.“

Výsledné snímky poskytly komplexní profil mechanických vlastností gelů, což vedlo vědce k závěru, že slabé koloidní gely, které se také běžně označují jako pastovité materiály, mají dvojí povahu a mají vlastnosti jak sklenic, tak gelů. Před touto studií, kvůli omezeným pozorovacím perspektivám výzkumníků, dospěli k závěru, že takové materiály byly buď gely nebo brýle, protože oba rysy nebyly pozorovány v jediném experimentu.

“Jeden vědec říká, že je to gel a druhý říká, že je to sklenice.” Máte oba pravdu, “říká McKinley a porovnává vlastnosti gelů s vlastnostmi karamelů, které sdílejí stejné principy překrytí časové konektivity při zahřátí a mohou být buď měkké a žvýkací, nebo křehké a sklovité.

K pozorování vyvíjející se struktury aluminosilikátových gelů a studiu jejich mechanických vlastností během procesu gelace a stárnutí vědci použili rentgenový rozptyl. To jim umožnilo rozebrat strukturu gelu od okamžiku, kdy jeho chemické složky byly menší než vlnová délka světla, a proto byly neviditelné bez pronikání rentgenových paprsků. Tento proces umožnil vědcům sledovat fyzickou strukturu gelů na délkových stupnicích přes čtyři řády a přiblížit se od stupnice od 1 mikronu do 0,1 nanometru.

Při pozorování gelů v takových dalekosáhlých prostorových měřítcích vědci zjistili, že fraktální síť spojených částic, která se vyvíjí, když se částice aglomerují do gelu, zůstává fixovaná za gelovým bodem. Síť roste a přidává shluky, které se mění ve velikosti, ale hlavní struktura nebo „páteř“ a geometrie zůstávají stejné.

Vědci zkoumali materiály v takových rozsáhlých prostorových měřítcích a kombinovali tyto informace se současnými informacemi o mechanickém chování materiálů. Rovněž dospěli k závěru, že větší shluky v síti se po deformaci uvolňovaly pomaleji a gelověji, zatímco menší shluky se uvolňovaly rychleji jako tuhý sklovitý materiál. McKinley dělá analogii ostrých rozdílů mezi časem, který trvá matraci z paměťové pěny po stlačení, a časem, který trvá velmi tvrdou tradiční matraci. Pozorování tohoto vztahu mezi velikostí shluků v materiálu a rychlostí relaxace vrhá další světlo na původ charakteristických vlastností těchto měkkých materiálů.

„Naše práce otevírá novou perspektivu,“ říká Keshavarz, „a připravuje půdu pro výzkumné pracovníky, aby získali širší pohled na podstatu těchto pastovitých materiálů.“

„Koloidní gely jsou všudypřítomné materiály,“ říká Emanuela Del Gado, docentka na katedře fyziky na Georgetownské univerzitě, která se tohoto výzkumu neúčastnila, ale v minulosti spolupracovala s týmem MIT. “Vaše fyzika je důležitá v tolika průmyslových odvětvích a technologiích (od potravin přes barvy až po cement, výrobky osobní péče a biomedicínské aplikace).” Tento článek je prvním pokusem o identifikaci mikroskopických rysů, které spojují mechaniku potenciálně široké třídy systémů spojením [the gels’] Mikrostruktura jejich reologického chování. “

Odkaz: „Překrytí časové konektivity a gelová / skleněná dualita slabých koloidních gelů“ od Bavand Keshavarz, Donatien Gomes Rodrigues, Jean-Baptiste Champenois, Matthew G. Frith, Jan Ilavsky, Michela Geri, Thibaut Divoux, Gareth H. McKinley a Arnaud Poulesquen, 13. dubna 2021, Postup Národní akademie věd.
DOI: 10,1073 / pnas.2022339118

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.