Sondeo microscópico en materiales viscosos.

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El término "gel coloidal" puede no ser un nombre coloquial, pero los ejemplos de estos materiales están en todas partes en nuestra vida cotidiana, desde pasta de dientes y gel de ducha hasta mayonesa y yogurt. Los geles coloidales son mezclas de partículas suspendidas en un fluido, y dependiendo de cómo se manejen, estos geles pueden fluir como líquidos o mantener su forma como un sólido.

Ahora, los investigadores del MIT han examinado la microestructura de los geles coloidales e identificado una variedad sorprendentemente rica de comportamientos en estos materiales viscosos de fase desafiante.

El equipo capturó películas de geles coloidales a medida que se formaban, comenzando como partículas individuales en agua y evolucionando hacia una pasta espesa y uniforme. Los investigadores hicieron zoom en escalas de diferentes tamaños para observar cualquier actividad en el material de transformación y descubrieron una gama de comportamientos dependientes de la escala.

Los investigadores dicen sus hallazgos, reportados el 27 de febrero en el Journal Cartas de examen físico, representan el primer estudio en profundidad de la microestructura de geles coloidales. El trabajo puede ayudar a los científicos a ajustar las propiedades materiales de una variedad de productos comunes.

Un ejemplo que viene a la mente, dice el coautor del estudio Irmgard Bischofberger, se refiere al problema de la película de líquido todavía presente en la superficie de la mayoría de los yogures. Este líquido se expulsa de la mayor parte del yogur durante el transporte, o se infiltra bajo el efecto de la gravedad porque el yogur está en un estante durante un período prolongado de tiempo.

"Desea que el yogurt resista la vibración y la gravedad y evite el colapso, pero no desea que su material sea más sólido para que no se sienta bien cuando lo comes ", dice Bischofberger, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT. "Conocer toda esta información sobre el comportamiento del material en las escalas de longitud le permite encontrar formas de ajustar un aspecto específico del material".

Los coautores de Bischofberger son el estudiante graduado del MIT Jae Hyung Cho y Roberto Cerbino de la Universidad de Milán.

Un solo golpe

Los científicos generalmente han explorado la microestructura de geles coloidales usando configuraciones láser especializadas para dispersar la luz desde múltiples ángulos, para capturar información sobre un material a diferentes escalas de longitud. Bischofberger dice que se necesitarían muchas series experimentales para capturar imágenes del mismo material en cada resolución.

El colaborador del equipo del MIT, Cerbino, había descubierto anteriormente que mediante el uso de un microscopio óptico simple, con una resolución lo suficientemente nítida para resolver todo, partículas individuales de un material con sus propiedades de volumen , podía grabar películas del material y luego usar el código de la computadora para analizar imágenes a la longitud de píxel prescrita. Por ejemplo, el código podría definirse para analizar el movimiento dentro de múltiples píxeles, o entre cientos de píxeles, o en toda la imagen. De esta manera, Cerbino pudo capturar la dinámica de un material en todas las escalas de longitud "de una sola vez", explica Bischofberger.

Cerbino demostró previamente esta técnica, conocida como microscopía diferencial dinámica, o DDM, al obtener imágenes de partículas individuales en una solución simple. Para este nuevo estudio, el equipo aplicó DDM para explorar geles coloidales, una clase más compleja de materiales.

"Estos materiales tienen propiedades fascinantes", dice Cho. "Para comprender estas propiedades, debe comprender las estructuras que abarcan diferentes escalas de longitud, desde escalas de partículas individuales de decenas de nanómetros hasta las estructuras que forman, que abarcan cientos de micras ".

Nuestros cuerpos, nuestro dulce ser

Cho diseñó primero un gel coloidal que el grupo podía controlar y estudiar fácilmente. El material es una mezcla de agua y partículas de poliestireno, que Cho eligió por su capa externa única. Cada partícula está rodeada por una envoltura sensible a la temperatura que, a bajas temperaturas, se asemeja a un exterior puntiagudo que evita que una partícula se acerque demasiado a las partículas vecinas. A temperaturas más cálidas, la cubierta se contrae de manera efectiva y la fuerza de atracción natural de las partículas se hace cargo, acercándola a otras partículas a las que luego puede unirse.

Los investigadores mezclaron las partículas a diferentes concentraciones con agua y colocaron cada muestra en una placa termoeléctrica, que colocaron bajo un microscopio óptico convencional. Tomaron fotografías de cada muestra aumentando la temperatura de la placa y observaron cómo las muestras evolucionaban hacia un gel coloidal, pasando de un líquido lechoso a una consistencia más espesa, similar al yogur.

Luego, usaron código de computadora basado en la transformación de Fourier, un tipo de técnica de procesamiento de imágenes que descompone una imagen en diferentes frecuencias y escalas espaciales, para extraer automáticamente datos de movimiento a diferentes escalas de longitud, desde partículas individuales hasta grandes redes de partículas conectadas.

"Utilizamos una sola película, compuesta de muchas imágenes de una muestra, y vemos la muestra a través de diferentes ventanas", dice Cho.

Descubrieron que, a escalas más pequeñas, las partículas individuales parecían moverse libremente, moviéndose y vibrando entre sí. A medida que el gel progresaba, las partículas individuales se agrupaban, formando hebras o redes más grandes que se movían juntas de una manera más restringida. Al final de la formación del gel, varias redes de partículas se pegaron entre sí a través del material, formando una especie de tela rígida que se movió solo ligeramente, como una estructura homogénea.

Cuando un gel coloidal se convierte de un líquido lechoso en una consistencia más espesa similar al yogur, su estructura y movimientos también cambian, de partículas individuales que se mueven libremente a grupos de partículas que se mueven juntas, y finalmente, a redes de partículas conectadas más grandes que se comportan como un material homogéneo. Cortesía de los investigadores.

Las estructuras que observaron parecían un patrón fractal de repetición automática, en el que las partículas individuales se unían entre sí en redes y estructuras cada vez más grandes. Otros han observado este patrón fractal en geles coloidales, en un cierto rango de escalas de longitud. Es la primera vez que los científicos caracterizan el comportamiento de geles coloidales dentro y fuera de este rango fractal, simultáneamente, y observan diferentes comportamientos, en este caso, los grados de movimiento. – A diferentes escalas.

"Es esta superposición de diferentes modos de movimiento lo que le da a los geles coloidales estas propiedades extremadamente ricas", dice Bischofberger. “Pueden comportarse tanto en forma líquida como sólida. Todo esto es una consecuencia del hecho de que hay movimiento en tantas escalas de diferente longitud, y que el movimiento es diferente en diferentes escalas. "

Los investigadores dicen que su nuevo método puede usarse para explorar la microestructura de otros materiales blandos, como el tejido biológico y las células.

"Nuestros cuerpos son materiales blandos como geles coloidales", señala Cho. "Si utilizamos esta técnica para estudiar sistemas biológicos, podría ayudar a optimizar la entrega de medicamentos, lo que implica transportar medicamentos a través de redes similares".

La nueva técnica del equipo, basada en microscopios de luz disponibles en la mayoría de los laboratorios, puede ser útil no solo para caracterizar, sino también para ajustar las propiedades de los materiales blandos.

"Si quiero un material sólido, ¿debería jugar con lo que está sucediendo en la escala más pequeña o más grande?" Dijo Bischofberger. “Por ejemplo, si quieres algo muy fuerte pero con una textura suave, ¿qué debo hacer para obtener ese sistema? Tener toda esta información de microestructura lo ayuda a saber dónde comenzar a diseñar. "

Esta investigación fue financiada en parte por el Comité de Apoyo a la Investigación del MIT y la Fundación Educativa Kwanjeong.

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