I ricercatori del MIT hanno sviluppato un nuovo metodo per determinare la struttura e il comportamento di una classe di materiali morbidi ampiamente utilizzati noti come gel colloidali deboli, che si trovano in tutto, dai cosmetici ai materiali da costruzione. Lo studio caratterizza i gel durante tutta la loro evoluzione, mentre cambiano da soluzioni minerali a gel elastici e quindi solidi vetrosi.

Il lavoro scopre i meccanismi microstrutturali alla base del modo in cui i gel cambiano naturalmente nel tempo, e come cambiano anche le loro proprietà elastiche, sia nel tempo che in base alla velocità con cui vengono deformati sperimentalmente. Questa caratterizzazione dovrebbe consentire ulteriori studi, predizione, e forse manipolazione del comportamento dei gel, aprendo le porte ai progressi in settori come la consegna di farmaci e la produzione di cibo, in cui questi gel sono ingredienti comuni, così come in applicazioni che vanno dalla purificazione dell'acqua allo smaltimento dei rifiuti nucleari, che utilizzano questi gel colloidali in un cristallizzato, forma porosa nota come zeoliti.

"Riteniamo che questo nuovo quadro generale e la comprensione della gelificazione e del successivo processo di invecchiamento siano di grande importanza per gli scienziati dei materiali che lavorano sulla materia soffice, "dice Gareth McKinley, la School of Engineering Professore di Didattica dell'Innovazione e professore di Ingegneria Meccanica al MIT.

"I nostri risultati consentono ai ricercatori di determinare perché i gel colloidali deboli mostrano aspetti del comportamento sia vetroso che simile al gel, e possibilmente ingegnerizzare i gel per avere particolari caratteristiche desiderate nella loro risposta meccanica, "dice Bavand Keshavarz, un postdoc nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT e primo autore del nuovo studio, che appare in PNAS .

La ricerca è stata condotta nell'ambito di una collaborazione internazionale che coinvolge MIT, Laboratorio Nazionale Argonne, il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica, e la Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica.

Utilizzando gel di alluminosilicato, ampiamente utilizzato per la produzione di zeoliti, i ricercatori hanno superato molte delle sfide associate alla caratterizzazione di questi materiali molto morbidi, che cambiano continuamente nel tempo, oltre a presentare proprietà diverse a seconda della velocità con cui vengono deformati. Keshavarz paragona il loro comportamento a quello di Silly Putty, che si allunga e scorre se lo tiri piano, ma si interrompe bruscamente se gli dai uno strattone veloce.

Anche i gel invecchiano rapidamente, il che significa che i comportamenti meccanici che esibiscono, mentre già variato a differenti velocità di deformazione, cambiano rapidamente nel tempo. La maggior parte degli studi precedenti si è concentrata sullo studio di questi materiali nel loro stato maturo, Keshavarz dice.

"Non sono riusciti a ottenere un quadro generale del gel perché la finestra sperimentale delle loro osservazioni era piuttosto stretta, " dice Keshavarz.

Per questo studio, i ricercatori si sono resi conto che potevano sfruttare il processo di invecchiamento dei gel a loro vantaggio attraverso una struttura nota come "sovrapposizione tempo-connettività".

Hanno sottoposto gli alluminosilicati a una serie ripetuta di complesse frequenze di deformazione note come cinguettii durante la gelificazione e i successivi processi di invecchiamento. cinguettii, modellato sulle sequenze di segnali di ecolocalizzazione prodotte da pipistrelli e delfini, testare molto rapidamente le proprietà di cambiare i materiali morbidi.

Applicando ripetutamente i segnali chirp durante l'evoluzione dei gel, i ricercatori hanno sviluppato una sequenza di quelle che potrebbero essere considerate istantanee informative che rappresentano le proprietà meccaniche dei gel mentre sono soggetti a un'ampia gamma di frequenze di deformazione che si estendono su otto ordini di grandezza (ad esempio, da 0,0001 hertz a 10, 000 hertz).

"Ciò significa che abbiamo esaminato il comportamento del materiale su una gamma molto ampia di frequenze di sondaggio, "dice Keshavarz, "dalle deformazioni molto lente a quelle molto veloci."

Le istantanee risultanti hanno fornito un profilo completo delle proprietà meccaniche dei gel, permettendo ai ricercatori di concludere che i gel colloidali deboli, noto anche colloquialmente come materiali pastosi, hanno una duplice natura, esibendo le caratteristiche sia degli occhiali che dei gel. Prima di questo studio, le limitate prospettive di osservazione dei ricercatori li hanno portati a concludere che tali materiali erano gel o occhiali, non aver osservato entrambe le caratteristiche in un singolo esperimento.

"Uno scienziato dice che è un gel, e l'altro dice che è un bicchiere. hanno ragione entrambi, "dice McKinley, confrontando le caratteristiche dei gel con quelle dei caramelli, che esibiscono gli stessi principi di sovrapposizione tempo-connettività quando vengono riscaldati e possono essere morbidi e gommosi o fragili e vitrei.

Per osservare la struttura in evoluzione dei gel di alluminosilicato, oltre ad esaminarne le proprietà meccaniche durante il processo di gelificazione e invecchiamento, i ricercatori hanno applicato la diffusione dei raggi X. Questo ha permesso loro di risolvere la struttura del gel a partire da quando i suoi componenti chimici erano inferiori alla lunghezza d'onda della luce e quindi invisibili senza la penetrazione dei raggi X. Il processo ha permesso ai ricercatori di osservare la struttura fisica dei gel su scale di lunghezza che vanno oltre quattro ordini di grandezza, zoomando da una scala di 1 micron fino a quella di 0,1 nanometri.

Osservando i gel su scale spaziali così ampie, i ricercatori hanno scoperto che la rete simile a un frattale di particelle connesse che si sviluppa quando le particelle si raggruppano in un gel rimane fissa oltre il punto di gel. La rete cresce e aggiunge cluster, cambiando di scala, ma la struttura principale o "spina dorsale" e la geometria rimangono le stesse.

Esaminando i materiali su scale spaziali così ampie e combinando queste informazioni con le informazioni simultanee sul comportamento meccanico dei materiali, i ricercatori hanno anche concluso che i cluster più grandi all'interno della rete si sono rilassati più lentamente in modo simile a un gel dopo essere stati deformati, mentre i cluster più piccoli si sono rilassati più rapidamente come un materiale vetroso rigido. McKinley fa l'analogia con le marcate differenze che sperimentiamo tra il tempo necessario a un materasso in memory foam per riprendersi dalla compressione rispetto al tempo impiegato da un materasso convenzionale molto duro. L'osservazione di questa relazione tra la dimensione dei cluster all'interno del materiale e il tasso di rilassamento getta ulteriore luce sulle origini delle proprietà distintive di questi materiali morbidi.

"Il nostro lavoro apre una nuova prospettiva, "dice Keshavarz, "e apre la strada ai ricercatori per sviluppare una visione più completa sulla natura di questi materiali pastosi".

"I gel colloidali sono materiali onnipresenti, "dice Emanuela Del Gado, professore associato presso il Dipartimento di Fisica della Georgetown University, che non è stato coinvolto in questa ricerca ma ha collaborato in passato con il team del MIT. "La loro fisica è importante in così tante industrie e tecnologie (dal cibo alla pittura, cementare, prodotti per la cura personale e applicazioni biomediche). Questo articolo è il primo tentativo di identificare i tratti microscopici che unificano la meccanica di una classe potenzialmente ampia di sistemi, collegando la microstruttura [dei gel] al loro comportamento reologico."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.