Le sospensioni di microgel costituite da microscopiche particelle polimeriche piene di liquido occupano un curioso stato fisico da qualche parte tra liquido e solido, conferendo loro proprietà uniche e potenziali usi nelle strutture autorigeneranti, materiali otticamente attivi, microreattori, sistemi di somministrazione dei farmaci, e modelli per rigenerare strutture viventi come ossa e muscoli.

Utilizzando simulazioni al computer su larga scala, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno ora mappato il comportamento e la meccanica sorprendenti di questi complessi sistemi particella-solvente, imparando come si deformano le particelle "morbide e morbide", rigonfiamento, de-gonfiare, e si penetrano a vicenda mentre rispondono alla compressione. I risultati potrebbero aiutare a guidare la progettazione di applicazioni basate su microgel con proprietà uniche e utili.

"Volevamo capire a grandi linee cosa succede a queste particelle se le metti insieme e inizi a comprimerle, " ha detto Aleksandr Alekseev, professore e Anderer Faculty Fellow presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "A differenza delle particelle rigide che riempiono lo spazio disponibile e poi smettono di comprimersi, queste particelle hanno più processi che possono lavorare in parallelo all'interno della sospensione. I microgel possono cambiare forma, restringersi, e penetrarsi l'un l'altro. Abbiamo scoperto che questi processi svolgono un ruolo variabile quando si aumenta la densità del numero di particelle e le si comprime a sufficienza".

I risultati dello studio sono stati riportati il ​​19 ottobre sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation (NSF) e dalla MCIU/AEI/FEDER EU, e le simulazioni hanno utilizzato l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment della NSF.

Utilizzando simulazioni al computer su mesoscala, i ricercatori hanno studiato il comportamento delle sospensioni compresse costituite da microgel che cambiano forma con diverse architetture in una varietà di frazioni di imballaggio e condizioni di solvente. Hanno scoperto che sotto compressione, i microgel "soffici" - che assomigliano a spugne microscopiche con fili polimerici che si estendono da loro - cambiano forma e si restringono, con limitata compenetrazione tra le particelle.

"Puoi usare la loro morbidezza e il fatto che cambiano forma per imballarli ancora di più, " ha detto Alberto Fernandez-Nieves, Professore ICREA presso il Dipartimento di Fisica della Materia Condensata dell'Università di Barcellona e professore a contratto presso la School of Physics della Georgia Tech. "Ci sono una varietà di meccanismi per impacchettarli in un volume disponibile, e questi meccanismi possono svolgere un ruolo diverso a seconda della situazione. Fino a questo studio, non sapevamo bene come i microgel potessero essere impacchettati insieme oltre l'imballaggio ravvicinato casuale".

La loro capacità di rilasciare solvente consente ai microgel di restringersi e deformarsi, a differenza delle particelle dure nelle normali sospensioni colloidali. Inoltre, i fili polimerici consentono loro di compenetrarsi e sovrapporsi per impacchettare più particelle in un dato spazio. Le particelle di microgel variano in dimensioni da 50 nanometri fino a 10 micron di diametro. Nelle loro simulazioni, Alekseev, Fernandez-Nieves, e recente dottorato di ricerca. il laureato Svetoslav Nikolov ha studiato sospensioni contenenti circa un centinaio di particelle di microgel.

"La loro comprimibilità è un nuovo ingrediente che non è presente in altre particelle morbide, e può determinare gli aspetti affascinanti e unici di questi sistemi di microgel, " ha detto Fernandez-Nieves. "Questo studio ci fornisce informazioni di cui abbiamo bisogno per sfruttare questa morbidezza per ottenere cose che altrimenti non saremmo in grado di fare".

Le simulazioni hanno fornito informazioni sugli effetti di variabili quali il tipo di solvente e il grado di compressione sulle proprietà meccaniche dei microgel nella sospensione.

"Se si osservano le proprietà meccaniche della sospensione in diversi solventi, vedi le curve sono molto diverse, " ha detto Alexeev. "Se sono gonfie, sono soffici e possono muoversi nella sospensione. Se espellono solvente, possono diventare quasi secchi, quindi le proprietà meccaniche possono cambiare drasticamente. Quello che abbiamo trovato è sorprendente e non è affatto quello che la gente si aspettava".

Tra i principali risultati fondamentali c'è che le proprietà meccaniche della sospensione possono essere quantificate in termini di modulo di massa del singolo microgel. "È il modo in cui queste particelle si comprimono che determina le proprietà del materiale dell'intera sospensione quando è sufficientemente concentrata, "Ha detto Fernandez-Nieves.

"Puoi avere molti diversi tipi di comportamento, ma quando si ridimensionano tutti i comportamenti in base all'effettiva comprimibilità di un microgel, tutti i comportamenti si uniscono, " ha aggiunto. "Ciò significa che questa quantità sembra essere quella importante da considerare per comprendere le proprietà macroscopiche della sospensione".

I ricercatori hanno utilizzato l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment della NSF per simulare i sistemi di microgel. Mentre il comportamento dei normali sistemi basati su particelle potrebbe sembrare semplice da studiare, la comprimibilità dei microgel unita alla complessità della reticolazione del polimero ha reso la simulazione piuttosto ampia, ha notato Alexeev.

"Una singola particella è già un sistema abbastanza complicato, " ha detto. "La complessità computazionale ha fornito risultati che speriamo incoraggino gli sperimentali a esplorare ulteriormente ciò che questi sistemi unici possono fare".