Il termine "gel colloidale" potrebbe non essere una frase familiare, ma esempi di questi materiali sono ovunque nella nostra vita quotidiana, dal dentifricio e bagnoschiuma alla maionese e allo yogurt. I gel colloidali sono miscele di particelle sospese in un fluido, e a seconda di come vengono manipolati, questi gel possono fluire come liquidi o mantenere la loro forma come un solido.

Ora i ricercatori del MIT hanno scrutato la microstruttura dei gel colloidali e hanno identificato una varietà sorprendentemente ricca di comportamenti in questi squishy, materiali che sfidano la fase.

Il team ha catturato filmati di gel colloidali mentre si formavano, iniziando come singole particelle nell'acqua e evolvendosi in spesse, appiccicoso uniforme. I ricercatori hanno ingrandito su varie scale di dimensioni per osservare qualsiasi attività nel materiale morphing, e ha scoperto una serie di comportamenti dipendenti dalla scala.

I ricercatori dicono che i loro risultati, riportato il 27 febbraio sulla rivista Lettere di revisione fisica , rappresentano il primo studio completo della microstruttura dei gel colloidali. Il lavoro può aiutare gli scienziati a mettere a punto le proprietà dei materiali di una varietà di prodotti comuni.

Un esempio che mi viene in mente, afferma il coautore dello studio Irmgard Bischofberger, sta affrontando il problema dell'onnipresente pellicola di liquido sulla superficie della maggior parte degli yogurt. Questo liquido viene spinto fuori dalla massa dello yogurt durante il trasporto, o fuoriesce per gravità, mentre lo yogurt rimane su uno scaffale per un lungo periodo.

"Vuoi che lo yogurt resista alle vibrazioni e alla gravità ed eviti il ​​collasso, ma non vuoi rendere tutto il tuo materiale più forte in un modo che non sembrerà del tutto giusto quando lo mangi, "dice Bischofberger, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT. "Conoscere tutte queste informazioni su come si comporta il materiale su scale di lunghezza consente di trovare modi per mettere a punto un aspetto specifico del materiale".

I coautori di Bischofberger sono lo studente laureato al MIT Jae Hyung Cho e Roberto Cerbino dell'Università degli Studi di Milano.

Un solo colpo

Gli scienziati hanno tipicamente esplorato la microstruttura dei gel colloidali utilizzando configurazioni laser specializzate per disperdere la luce ad angoli multipli, per acquisire informazioni su un materiale a diverse scale di lunghezza. Bischofberger afferma che sarebbero necessarie molte esecuzioni sperimentali per catturare immagini dello stesso materiale a ogni risoluzione.

Il collaboratore del team del MIT, Cerbino, aveva precedentemente scoperto che utilizzando un semplice microscopio ottico, con una risoluzione abbastanza nitida da risolvere qualsiasi cosa, dalle singole particelle di un materiale alle sue proprietà di massa, poteva registrare filmati del materiale e quindi utilizzare un codice informatico per analizzare le immagini a lunghezze di pixel prescritte. Ad esempio, il codice potrebbe essere impostato per analizzare i movimenti all'interno di diversi pixel, o tra centinaia di pixel, o su tutta l'immagine. In questo modo, Cerbino è stato in grado di catturare la dinamica di un materiale su tutte le scale di lunghezza "in un unico scatto, "dice Bischofberger.

Cerbino aveva già dimostrato questa tecnica, nota come microscopia dinamica differenziale, o DDM, mediante l'imaging di singole particelle in una soluzione semplice. Per questo nuovo studio, il team ha applicato il DDM per esplorare i gel colloidali, una classe di materiali più complessa.

"Questi materiali hanno proprietà affascinanti, " Cho dice. "Per comprendere queste proprietà, è necessario comprendere le strutture che si estendono su diverse scale di lunghezza, da scale di particelle individuali di decine di nanometri, alle strutture che formano, che si estendono per centinaia di micron."

I nostri corpi, il nostro io morbido

Cho ha prima progettato un gel colloidale che il gruppo potrebbe facilmente controllare e studiare. Il materiale è una miscela di acqua e particelle di polistirene, che Cho ha scelto per il loro guscio esterno unico. Ogni particella è circondata da un guscio sensibile alla temperatura che, a basse temperature, assomiglia a un esterno appuntito che impedisce a una particella di avvicinarsi troppo alle particelle vicine. A temperature più calde, il guscio si restringe efficacemente, e la forza di attrazione naturale della particella prende il sopravvento, avvicinandolo ad altre particelle, a cui può poi attaccarsi.

I ricercatori hanno mescolato le particelle a diverse concentrazioni con acqua e hanno posizionato ciascun campione su una piastra termoelettrica, che hanno impostato sotto un microscopio ottico convenzionale. Hanno preso le immagini di ogni campione mentre alzavano la temperatura della piastra, e ho osservato i campioni evolversi in un gel colloidale, trasformandosi da un liquido lattiginoso, a uno più spesso, consistenza simile allo yogurt.

in seguito, hanno usato un codice informatico basato sulla trasformata di Fourier, un tipo di tecnica di elaborazione delle immagini che scompone un'immagine in varie frequenze e scale spaziali, per estrarre automaticamente i dati di movimento su diverse scale di lunghezza, da singole particelle a grandi, reti di particelle connesse.

"Usiamo un solo film, composto da tante immagini di un campione, e guarda il campione attraverso diverse finestre, " dice Cho.

Hanno scoperto che, alle scale più piccole, le singole particelle sembravano muoversi liberamente, dimenando e vibrando l'uno intorno all'altro. Man mano che il gel si evolveva, singole particelle ammassate insieme, formando fili o reti più grandi che si muovevano insieme in modo più vincolato. Al termine della formazione del gel, più reti di particelle si sovrapponevano l'una all'altra attraverso il materiale, formando una sorta di rete rigida che si muoveva solo leggermente, come una struttura omogenea.

Le strutture che hanno osservato assomigliavano a uno schema frattale che si ripeteva da sé, in cui le singole particelle si attaccavano l'una all'altra in reti e strutture sempre più grandi. Altri hanno osservato questo modello frattale nei gel colloidali, su un certo intervallo di scale di lunghezza. Questa è la prima volta che gli scienziati hanno caratterizzato il comportamento dei gel colloidali sia all'interno che all'esterno di questo intervallo frattale, contemporaneamente, e osservato comportamenti diversi, in questo caso, gradi di movimento, su scale diverse.

"È questa sovrapposizione di diverse modalità di movimento che conferisce ai gel colloidali queste proprietà estremamente ricche, " Dice Bischofberger. "Possono comportarsi sia come liquidi che come solidi. Tutto ciò è una conseguenza del fatto che c'è movimento su così tante diverse scale di lunghezza, e quel movimento è diverso su scale diverse."

I ricercatori affermano che il loro nuovo metodo può essere utilizzato per esplorare la microstruttura di altri materiali morbidi come tessuti e cellule biologici.

"I nostri corpi sono materiali morbidi come gel colloidali, " nota Cho. "Se usiamo questa tecnica per studiare i sistemi biologici, questo potrebbe aiutare a ottimizzare la somministrazione dei farmaci, che comporta il trasporto di farmaci attraverso reti simili".

La nuova tecnica della squadra, che si basa su microscopi ottici facilmente accessibili nella maggior parte dei laboratori, può essere utile non solo per caratterizzare, ma anche mettendo a punto le proprietà dei materiali morbidi.

"Se voglio un materiale forte, devo giocare con ciò che accade alla scala più piccola o alla scala più grande?" Dice Bischofberger. "Per esempio, se vuoi qualcosa con alta resistenza ma con una trama liscia cosa dovrei fare per ottenere un sistema del genere? Avere tutte queste informazioni sulla microstruttura ti aiuta a sapere da dove iniziare con il design."

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.