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Les chercheurs du MIT ont développé une nouvelle méthode pour déterminer la structure et le comportement d'une classe de matériaux souples largement utilisés connus sous le nom de gels colloïdaux faibles, que l'on trouve dans tout, des cosmétiques aux matériaux de construcción. El estudio caracteriza los geles a lo largo de toda su evolución, pasando de soluciones minerales a geles elásticos y luego a sólidos vítreos.
El trabajo descubre los mecanismos microestructurales subyacentes a cómo los geles cambian naturalmente con el tiempo y cómo sus propiedades elásticas también cambian, tanto con el tiempo como con la velocidad a la que se deforman experimentalmente. Esta caracterización debería permitir un mayor estudio, predicción y quizás manipulación del comportamiento de los geles, abriendo las puertas a avances en áreas como la entrega de medicamentos y la producción de alimentos, donde se encuentran estos geles. Ingredientes comunes, así como en aplicaciones que van desde el agua. purificación al almacenamiento de desechos nucleares, que utiliza estos geles coloidales en una forma porosa cristalizada conocida como zeolitas.
"Creemos que esta nueva imagen global y la nueva comprensión de la gelificación y el posterior proceso de envejecimiento es de gran importancia para los científicos de materiales que trabajan con materia blanda", dice Gareth McKinley, profesor de la Escuela de Ingeniería de Innovación Docente y profesor de Ingeniería Mecánica en el MIT. .
"Nuestros resultados permiten a los investigadores determinar por qué los geles coloidales débiles exhiben aspectos de comportamiento tanto vidriosos como gelatinosos, y posiblemente diseñar los geles para que tengan características particulares deseadas en su respuesta mecánica", explica Bavand. Keshavarz, postdoctorado en el departamento de mecánica del MIT. Ingeniería y primer autor del nuevo estudio, que aparece en PNAS.
La investigación se llevó a cabo como parte de una colaboración internacional que involucró al MIT, el Laboratorio Nacional de Argonne, el Centro Nacional de Investigación Científica y la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica.
Mediante el uso de geles de aluminosilicato, ampliamente utilizados para fabricar zeolitas, los investigadores superaron muchos desafíos asociados con la caracterización de estos materiales muy blandos, que cambian continuamente con el tiempo, así como diferentes propiedades dependiendo de la velocidad a la que se deforman. Keshavarz compara su comportamiento con el de Silly Putty, que se estira y se hunde si lo tira lentamente, pero se rompe bruscamente si lo tira rápidamente.
Los geles también envejecen rápidamente, lo que significa que los comportamientos mecánicos que exhiben, aunque ya varían a diferentes velocidades de deformación, cambian rápidamente con el tiempo. La mayoría de los estudios anteriores se han centrado en estudiar estos materiales en su estado maduro, dice Keshavarz.
"No pudieron obtener una imagen general del gel porque la ventana experimental para sus observaciones era bastante estrecha", dice Keshavarz.
Para este estudio, los investigadores se dieron cuenta de que podían aprovechar el proceso de envejecimiento de los geles a través de un marco conocido como "superposición de conectividad temporal".
Sometieron a los aluminosilicatos a una serie repetida de frecuencias de deformación complejas conocidas como chirridos durante la gelificación y los procesos de envejecimiento subsiguientes. Los chirridos, modelados a partir de las secuencias de señales de ecolocalización producidas por murciélagos y delfines, prueban las propiedades de cambiar materiales blandos muy rápidamente.
Al aplicar repetidamente las señales de chirrido a lo largo de la evolución de los geles, los investigadores desarrollaron una secuencia de lo que podrían considerarse instantáneas informativas que representan las propiedades mecánicas de los geles mientras estaban sujetos a una amplia gama de frecuencias de distorsión que cubren más de ocho órdenes de magnitud. (por ejemplo, de 0,0001 hercios a 10,000 hercios).
"Esto significa que hemos analizado el comportamiento del material en un rango muy amplio de frecuencias de sondeo", explica Keshavarz, "desde deformaciones muy lentas hasta deformaciones muy rápidas".
Las instantáneas resultantes proporcionaron un perfil completo de las propiedades mecánicas de los geles, lo que permitió a los investigadores concluir que los geles coloidales débiles, también conocidos coloidalmente como materiales pastosos, tienen una naturaleza dual, exhibiendo características tanto de vidrios como de geles de vidrios. Antes de este estudio, las perspectivas de observación limitadas de los investigadores los llevaron a concluir que estos materiales eran geles o vidrios, sin haber observado ambas características en un solo experimento.
"Un científico dice que es un gel y el otro dice que es una bebida. Ambos tienen razón ”, dice McKinley, comparando las características de los geles con las de los toffees, que exhiben los mismos principios de capas de conectividad temporal cuando se calientan y pueden ser suaves y masticables o quebradizos y vidriosos.
Para observar la evolución estructural de los geles de aluminosilicato, además de examinar sus propiedades mecánicas a lo largo del proceso de gelificación y envejecimiento, los investigadores aplicaron dispersión de rayos X. Esto les permitió resolver la estructura del gel desde el momento en que sus componentes químicos eran menores que la longitud de onda de la luz y, por lo tanto, invisible sin la penetración de los rayos X. El proceso permitió a los investigadores observar la estructura física de los geles a escalas de longitud de más de cuatro órdenes de magnitud, pasando de una escala de 1 micrón a la de 0,1 nanómetros .
Al observar geles a escalas espaciales tan grandes, los investigadores encontraron que la red fractal de partículas conectadas que se desarrollan cuando las partículas se agrupan en un gel permanece fija más allá del punto de congelación. La red crece y agrega grupos, cambiando la escala, pero la estructura principal o 'columna vertebral' y la geometría siguen siendo las mismas.
Al examinar materiales a escalas espaciales tan vastas y combinar esta información con la información concomitante sobre el comportamiento mecánico de los materiales, los investigadores también concluyeron que los grupos más grandes en la red se relajan más lentamente en la forma de un gel después de deformarse mientras que los más pequeños los racimos se aflojan más rápidamente como un material vítreo rígido. McKinley hace la analogía con las marcadas diferencias que experimentamos entre el tiempo que tarda un colchón de espuma viscoelástica en recuperarse después de ser comprimido y el tiempo que tarda un colchón convencional muy duro. La observación de esta relación entre el tamaño de los racimos dentro del material y la tasa de relajación arroja luz adicional sobre el origen de las propiedades distintivas de estos materiales flexibles.
"Nuestro trabajo abre una nueva perspectiva", dice Keshavarz, "y abre el camino para que los investigadores desarrollen una visión más completa de la naturaleza de estos materiales pastosos".
“Los geles coloidales son materiales ubicuos”, dice Emanuela Del Gado, profesora asociada en el departamento de física de la Universidad de Georgetown, que no participó en esta investigación pero que ha colaborado con el equipo del MIT en el pasado. “Su físico es importante en muchas industrias y tecnologías (desde alimentos hasta pintura, cemento, productos para el cuidado personal y aplicaciones biomédicas). Este artículo es el primer intento de identificar las características microscópicas que unen la mecánica de una clase de sistemas potencialmente grande, relacionando la microestructura (de los geles) con su comportamiento reológico. "
