Desde la pasta de dientes que aprietas en tu cepillo a primera hora de la mañana hasta el yogur que sorbes hasta el suavizante de telas que mantiene tu pijama cómodo y suave, los geles son omnipresentes en los productos de consumo, alimentos y en aplicaciones industriales, también.

Sin embargo, hasta ahora, Los científicos no han podido explicar las estructuras microscópicas dentro de los geles que imparten su elasticidad, o la elasticidad, ni cómo se forman esas estructuras. Un equipo de científicos de la Universidad de Delaware, Instituto de Tecnología de Massachusetts, La Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Michigan descubrieron que la elasticidad de los geles surge del empaque de grupos de partículas en los geles, que el grupo denominó racimos vidriosos localmente.

Esta investigación, descrito en un artículo publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría ayudar a las personas a diseñar mejores materiales y productos a microescala. Esta información podría ayudar a las empresas en los productos de consumo, biotecnología, y sectores agrícolas y más allá.

Muchas empresas formulan y venden productos en gel, y aveces, la rigidez de los geles cambia como resultado de la inestabilidad. Eric Furst, profesor y catedrático del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la UD y uno de los autores correspondientes del artículo, guarda una vieja botella de suavizante de telas en un estante de su oficina y la usa para demostrar lo que sucede cuando los geles se separan o "colapsan". Se supone que el producto es fácil de verter, pero cuando va mal se vuelve gloppy y desagradable.

"Nuestros resultados proporcionan información sobre cómo diseñar la distribución del tamaño del clúster para controlar la rigidez, fluir, y estabilidad de los materiales de gel, "dijo Furst.

La primera autora del nuevo artículo es Kathryn A. Whitaker, quien recibió un doctorado en ingeniería química de la UD en 2015 y ahora es ingeniero de investigación senior en Dow en Midland, Michigan.

Investigando geles

Los geles son materiales semisólidos que fluyen como líquidos pero contienen partículas sólidas, también. Cuando los científicos examinan estas sustancias bajo un microscopio, ven que las partículas sólidas dentro de los geles forman una red, como la estructura de un edificio. Para hacer que la sustancia fluya de modo que pueda exprimirla o esparcirla fina, necesitas romper esa estructura. Cuando esto requiere mucha fuerza, la sustancia es rígida y tiene un módulo de elasticidad elevado. Cuando se requiere menos fuerza, la sustancia fluye fácilmente y tiene un módulo elástico más bajo.

El grupo de investigación liderado por Furst estudió un gel hecho de partículas de látex de poli (metilmetacrilato) (PMMA), comúnmente conocido como acrílico, dispersado en una mezcla de dos líquidos incoloros, ciclohexano y bromuro de ciclohexilo. Descubrieron que este gel estaba compuesto por grupos vidriosos de partículas conectadas entre sí con áreas débiles en el medio. Para comprender cómo estos grupos contribuyeron a las propiedades del gel, el equipo quería determinar los límites donde comenzaba y terminaba cada grupo.

"Esto es como Facebook, ", dijo Furst." Estábamos tratando de averiguar, ¿quién está conectado localmente con quién? "

Colaborador James W. Swan, profesor asistente de ingeniería química en el MIT, realizó simulaciones para explorar la física detrás de los clústeres. Luego aplicó la teoría de grafos, el estudio matemático de gráficas, a los datos de simulación para averiguar qué clústeres están conectados entre sí, identifique los bordes de cada grupo y codifique con colores los grupos. Era como definir los límites de los grupos de amigos entremezclados.

Próximo, los investigadores compararon los resultados de la simulación con estudios físicos de los geles y confirmaron que las conexiones y distribuciones coincidían con sus predicciones. Determinaron que la forma en que estos grupos localmente vidriosos se compactan determina el módulo elástico del material. Los clústeres interconectados actúan como rígidos, Unidades de carga dentro del gel.

"Hasta ahora, nadie había visto y descrito cómo estos grupos se compactaban y cómo afectaban la elasticidad, ", dijo Furst." Reunimos el rompecabezas ".

Los autores del artículo también incluyen a Zsigmond Varga, ingeniero de desarrollo de procesos en ExxonMobil; Lilian C. Hsiao, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y Michael J. Solomon, profesor de ingeniería química y decano y vicerrector de Asuntos Académicos, Estudios de postgrado, Escuela de Graduados de Rackham en la Universidad de Michigan.

Este documento tardó años en elaborarse, ya que los investigadores dieron seguimiento a preguntas persistentes que los molestaban y los impulsaban a seguir trabajando.

"Este descubrimiento fue el resultado del trabajo en equipo de los investigadores principales, las habilidades experimentales de nuestros estudiantes, y la pasión y tenacidad que todos aportamos al resolver este problema, "dijo Furst.