Las suspensiones de microgel formadas por partículas microscópicas de polímero llenas de líquido ocupan un estado físico curioso en algún lugar entre líquido y sólido. dándoles propiedades únicas y usos potenciales en estructuras autocurativas, materiales ópticamente activos, microrreactores, sistemas de administración de fármacos, y plantillas para regenerar estructuras vivas como huesos y músculos.

Usando simulaciones por computadora a gran escala, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han trazado el sorprendente comportamiento y la mecánica de estos complejos sistemas de partículas y disolventes. aprender cómo se deforman las partículas "blandas y blandas", hinchar, Desinfección y se penetran entre sí a medida que responden a la compresión. Los hallazgos podrían ayudar a guiar el diseño de aplicaciones basadas en microgel con propiedades únicas y útiles.

"Queríamos comprender en términos generales lo que les sucede a estas partículas si las juntas y comienzas a comprimirlas, "dijo Alexander Alexeev, profesor y miembro de la facultad Anderer en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech. "A diferencia de las partículas rígidas que llenan el espacio disponible y luego dejan de comprimirse, estas partículas tienen múltiples procesos que pueden funcionar en paralelo dentro de la suspensión. Los microgeles pueden cambiar de forma, encogerse, y penetrarnos unos a otros. Descubrimos que estos procesos juegan un papel variable cuando aumenta la densidad del número de partículas y las comprime lo suficiente ".

Los hallazgos del estudio se publicaron el 19 de octubre en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . La investigación fue apoyada por la National Science Foundation (NSF) y el MCIU / AEI / FEDER EU, y las simulaciones utilizaron el entorno de descubrimiento de ciencia e ingeniería extrema de la NSF.

Usando simulaciones por computadora de mesoescala, Los investigadores estudiaron el comportamiento de suspensiones comprimidas que consisten en microgeles que cambian de forma con diferentes arquitecturas en una variedad de fracciones de empaque y condiciones de solvente. Descubrieron que bajo compresión, los microgeles "esponjosos", que se asemejan a esponjas microscópicas con hilos de polímero que se extienden desde ellos, cambian de forma y se encogen, con limitada interpenetración entre partículas.

"Puedes usar su suavidad y el hecho de que cambian de forma para empacarlos aún más, "dijo Alberto Fernandez-Nieves, Profesor ICREA en el Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad de Barcelona y profesor adjunto en la Escuela de Física de Georgia Tech. "Hay una variedad de mecanismos para empaquetarlos en un volumen disponible, y estos mecanismos pueden jugar un papel diferente dependiendo de la situación. Hasta este estudio, no sabíamos muy bien cómo se podían empaquetar los microgeles más allá de un empaque cerrado aleatorio ".

Su capacidad para liberar solvente permite que los microgeles se contraigan y se deformen, a diferencia de las partículas duras en suspensiones coloidales regulares. Además, los hilos de polímero les permiten interpenetrarse y superponerse para empaquetar más partículas en un espacio dado. Las partículas de microgel varían en tamaño desde 50 nanómetros hasta 10 micrones de diámetro. En sus simulaciones, Alexeev, Fernández-Nieves, y reciente doctorado. el graduado Svetoslav Nikolov estudió suspensiones que contienen alrededor de cien partículas de microgel.

"Su compresibilidad es un ingrediente nuevo que no está presente en otras partículas blandas, y puede generar los aspectos fascinantes y únicos de estos sistemas de microgel, ", dijo Fernández-Nieves." Este estudio nos da información que necesitamos para explotar esta suavidad para lograr cosas que no podríamos hacer de otra manera ".

Las simulaciones proporcionaron información sobre los efectos de variables como el tipo de disolvente y el grado de compresión sobre las propiedades mecánicas de los microgeles en la suspensión.

"Si observa las propiedades mecánicas de la suspensión en diferentes disolventes, ves que las curvas son muy diferentes, "Alexeev dijo." Si están hinchados, son esponjosos y pueden moverse en la suspensión. Si expulsan disolvente, pueden volverse casi secos, por lo que las propiedades mecánicas pueden cambiar drásticamente. Lo que encontramos es sorprendente y no es en absoluto lo que la gente esperaba ".

Entre los hallazgos fundamentales clave está que las propiedades mecánicas de la suspensión se pueden cuantificar en términos del módulo de volumen de un solo microgel. "Es la forma en que se comprimen estas partículas lo que determina las propiedades del material de toda la suspensión cuando está suficientemente concentrada, "Dijo Fernández-Nieves.

"Puedes tener muchos tipos diferentes de comportamiento, pero cuando escalas todos los comportamientos por la compresibilidad real de un microgel, todos los comportamientos se juntan, ", agregó." Eso significa que esta cantidad parece ser la más importante a considerar para comprender las propiedades macroscópicas de la suspensión ".

Los investigadores utilizaron el entorno de descubrimiento de ingeniería y ciencia extrema de la NSF para simular los sistemas de microgel. Si bien el comportamiento de los sistemas ordinarios basados ​​en partículas puede parecer sencillo de estudiar, la compresibilidad de los microgeles junto con la complejidad de la reticulación del polímero hizo que la simulación fuera bastante grande, Alexeev señaló.

"Una sola partícula ya es un sistema bastante complicado, ", dijo." La complejidad computacional proporcionó hallazgos que esperamos que alienten a los experimentadores a explorar más a fondo lo que estos sistemas únicos pueden hacer ".