Dal dentifricio che spremi sullo spazzolino per prima cosa al mattino allo yogurt che bevi fino all'ammorbidente che mantiene il tuo pigiama comodo e morbido, i gel sono onnipresenti nei prodotti di consumo, Alimenti, e nelle applicazioni industriali, pure.

Però, fino ad ora, gli scienziati non sono stati in grado di spiegare le strutture microscopiche all'interno dei gel che conferiscono la loro elasticità, o elasticità, né come si formano queste strutture. Un team di scienziati dell'Università del Delaware, Istituto di Tecnologia del Massachussetts, La North Carolina State University e l'Università del Michigan hanno scoperto che l'elasticità dei gel deriva dall'impaccamento di gruppi di particelle nei gel, che il gruppo ha chiamato localmente grappoli vetrosi.

Questa ricerca, descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , potrebbe aiutare le persone a progettare materiali e prodotti migliori su microscala. Questa intuizione potrebbe aiutare le aziende nei prodotti di consumo, biotecnologia, e agricoltura e non solo.

Molte aziende formulano e vendono prodotti in gel, e qualche volta, la rigidità dei gel cambia a causa dell'instabilità. Eric Furst, professore e presidente del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare dell'UD e uno degli autori corrispondenti dell'articolo, tiene una vecchia bottiglia di ammorbidente su uno scaffale nel suo ufficio e la usa per dimostrare cosa succede quando i gel si separano o "crollano". Il prodotto dovrebbe essere facile da versare, ma quando va male, diventa gloppy e poco attraente.

"I nostri risultati forniscono informazioni su come progettare la distribuzione delle dimensioni dei cluster per controllare la rigidità, flusso, e stabilità dei materiali in gel, " disse Furst.

La prima autrice del nuovo articolo è Kathryn A. Whitaker, che ha ricevuto un dottorato in ingegneria chimica dall'UD nel 2015 ed è ora ingegnere ricercatore senior presso Dow in Midland, Michigan.

Gel da indagine

I gel sono materiali semisolidi che scorrono come liquidi ma contengono particelle solide, pure. Quando gli scienziati esaminano queste sostanze al microscopio, vedono che le particelle solide all'interno dei gel formano una rete, come la struttura di un edificio. Per far fluire la sostanza in modo da poterla spremere o stendere sottile, devi rompere quella struttura. Quando questo richiede molta forza, la sostanza è rigida ed ha un alto modulo elastico. Quando è richiesta meno forza, la sostanza scorre facilmente e ha un modulo elastico inferiore.

Il gruppo di ricerca guidato da Furst ha studiato un gel costituito da particelle di poli(metilmetacrilato) lattice (PMMA), comunemente noto come acrilico, disperso in una miscela di due liquidi incolori, cicloesano e cicloesil bromuro. Hanno scoperto che questo gel era composto da ammassi vetrosi di particelle collegate tra loro con aree deboli nel mezzo. Per capire come questi cluster hanno contribuito alle proprietà del gel, il team voleva determinare i confini in cui ogni cluster iniziava e finiva.

"Questo è come Facebook, "disse Furst. "Stavamo cercando di capire... chi è collegato localmente a chi?"

Collaboratore James W. Swan, assistente professore di ingegneria chimica al MIT, hanno condotto simulazioni per esplorare la fisica dietro i cluster. Ha poi applicato la teoria dei grafi, lo studio matematico dei grafici, ai dati di simulazione per capire quali cluster sono collegati tra loro, identificare i bordi di ciascun gruppo e codificare a colori i cluster. Era come definire i confini dei gruppi di amici mescolati.

Prossimo, i ricercatori hanno confrontato i risultati della simulazione con gli studi fisici dei gel e hanno confermato che le connessioni e le distribuzioni corrispondevano alle loro previsioni. Hanno determinato che il modo in cui questi ammassi vetrosi localmente si uniscono determina il modulo elastico del materiale. I cluster interconnessi agiscono come rigidi, unità portanti all'interno del gel.

"Fino ad ora, nessuno aveva visto e descritto come si ammassavano questi grappoli e come influivano sull'elasticità, " ha detto Furst. "Abbiamo messo insieme il puzzle."

Gli autori del documento includono anche Zsigmond Varga, un ingegnere di sviluppo di processo presso ExxonMobil; Lilian C. Hsiao, un assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la North Carolina State University e Michael J. Solomon, professore di ingegneria chimica e preside e vice rettore per gli affari accademici, Studi universitari, Rackham Graduate School presso l'Università del Michigan.

Questo documento ha richiesto anni di lavoro in quanto gli investigatori hanno dato seguito a domande persistenti che li hanno infastiditi e li hanno spinti a continuare a lavorare.

"Questa scoperta è stata il risultato del lavoro di squadra dei principali investigatori, le capacità sperimentali dei nostri studenti, e la passione e la tenacia che tutti abbiamo portato mentre lavoravamo su questo problema, " disse Furst.