Los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo método para determinar la estructura y el comportamiento de una clase de materiales blandos ampliamente utilizados conocidos como geles coloidales débiles. que se encuentran en todo, desde cosméticos hasta materiales de construcción. El estudio caracteriza los geles a lo largo de toda su evolución, a medida que cambian de soluciones minerales a geles elásticos y luego a sólidos vidriosos.

El trabajo descubre los mecanismos microestructurales subyacentes a cómo los geles cambian naturalmente con el tiempo, y cómo sus propiedades elásticas también cambian, tanto a lo largo del tiempo como en función de la velocidad a la que se deforman experimentalmente. Esta caracterización debería permitir un estudio más a fondo, predicción, y quizás manipulación del comportamiento de los geles, abriendo puertas a avances en áreas como la entrega de medicamentos y la producción de alimentos, en los que estos geles son ingredientes comunes, así como en aplicaciones que van desde la purificación de agua hasta la eliminación de residuos nucleares, que utilizan estos geles coloidales en un cristalizado, forma porosa conocida como zeolitas.

"Creemos que esta nueva imagen general y comprensión del proceso de gelificación y posterior envejecimiento es de gran importancia para los científicos de materiales que trabajan con materia blanda, "dice Gareth McKinley, Profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería y profesor de Ingeniería Mecánica del MIT.

"Nuestros resultados permiten a los investigadores determinar por qué los geles coloidales débiles muestran aspectos de comportamiento tanto vidrioso como gelatinoso, y posiblemente diseñar los geles para que tengan características particulares deseadas en su respuesta mecánica, "dice Bavand Keshavarz, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y primer autor del nuevo estudio, que aparece en PNAS .

La investigación se realizó como parte de una colaboración internacional que involucra al MIT, Laboratorio Nacional Argonne, el Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas, y la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica.

Usando geles de aluminosilicato, ampliamente utilizado para fabricar zeolitas, los investigadores superaron muchos de los desafíos asociados con la caracterización de estos materiales muy blandos, que cambian continuamente con el tiempo, así como exhibir diferentes propiedades dependiendo de la velocidad a la que se deforman. Keshavarz compara su comportamiento con el de Silly Putty, que se estira y fluye si lo tira lentamente, pero se rompe bruscamente si le das un tirón rápido.

Los geles también envejecen rápidamente, lo que significa que los comportamientos mecánicos que exhiben, si bien ya varió a diferentes tasas de deformación, cambian rápidamente con el tiempo. La mayoría de los estudios anteriores se centraron en estudiar estos materiales en su estado maduro, Dice Keshavarz.

"No pudieron obtener una imagen general del gel porque la ventana experimental de sus observaciones era bastante estrecha, "Dice Keshavarz.

Para este estudio, los investigadores se dieron cuenta de que podían aprovechar el proceso de envejecimiento de los geles mediante un marco conocido como "superposición de tiempo-conectividad".

Sometieron los aluminosilicatos a una serie repetida de frecuencias de deformación complejas conocidas como chirridos durante los procesos de gelificación y posterior envejecimiento. Chirridos, modelado a partir de las secuencias de señales de ecolocalización producidas por murciélagos y delfines, Pruebe muy rápidamente las propiedades de cambiar materiales blandos.

Aplicando repetidamente las señales de chirrido a lo largo de la evolución de los geles, Los investigadores desarrollaron una secuencia de lo que podría considerarse como instantáneas informativas que representan las propiedades mecánicas de los geles cuando fueron sometidos a una amplia gama de frecuencias de deformación que abarcan más de ocho órdenes de magnitud (por ejemplo, de 0,0001 hercios a 10, 000 hercios).

"Esto significa que hemos analizado el comportamiento del material en un rango muy amplio de frecuencias de sondeo, "dice Keshavarz, "desde deformaciones muy lentas hasta muy rápidas".

Las instantáneas resultantes proporcionaron un perfil completo de las propiedades mecánicas de los geles, permitiendo a los investigadores concluir que los geles coloidales débiles, también conocido coloquialmente como materiales pastosos, tener una naturaleza dual, exhibiendo características tanto de vasos como de geles. Antes de este estudio, Las perspectivas de observación limitadas de los investigadores los llevaron a concluir que tales materiales eran geles o vasos, no haber observado ambas características en un solo experimento.

"Un científico dice que es un gel, y el otro dice que es un vaso. Ambos tienen razón "dice McKinley, comparando las características de los geles con las de los caramelos, que exhiben los mismos principios de superposición de tiempo-conectividad a medida que se calientan y pueden ser suaves y masticables o quebradizos y vidriosos.

Para observar la estructura evolutiva de los geles de aluminosilicato, además de examinar sus propiedades mecánicas durante todo el proceso de gelificación y envejecimiento, los investigadores aplicaron la dispersión de rayos X. Esto les permitió resolver la estructura del gel a partir de que sus componentes químicos eran más pequeños que la longitud de onda de la luz y, por lo tanto, invisibles sin la penetración de los rayos X. El proceso permitió a los investigadores observar la estructura física de los geles a escalas de longitud que van por encima de cuatro órdenes de magnitud. acercándose desde una escala de 1 micrón hasta la de 0,1 nanómetros.

Observando los geles a escalas espaciales tan amplias, Los investigadores descubrieron que la red de partículas conectadas similar a un fractal que se desarrolla a medida que las partículas se agrupan en un gel permanece fija más allá del punto de gel. La red crece y agrega clústeres, cambiando de escala, pero la estructura principal o "columna vertebral" y la geometría siguen siendo las mismas.

Examinando los materiales en escalas espaciales tan amplias y combinando esta información con la información concurrente sobre el comportamiento mecánico de los materiales, Los investigadores también concluyeron que los grupos más grandes dentro de la red se relajaron más lentamente en forma de gel después de deformarse, mientras que los grupos más pequeños se relajaron más rápidamente como un material vítreo rígido. McKinley hace la analogía con las marcadas diferencias que experimentamos entre el tiempo que tarda un colchón de espuma viscoelástica en recuperarse de la compresión frente al tiempo que tarda un colchón convencional muy duro. La observación de esta relación entre el tamaño de los racimos dentro del material y la tasa de relajación arroja más luz sobre los orígenes de las propiedades distintivas de estos materiales blandos.

"Nuestro trabajo abre una perspectiva novedosa, "dice Keshavarz, "y allana el camino para que los investigadores desarrollen una visión más completa sobre la naturaleza de estos materiales pastosos".

"Los geles coloidales son materiales ubicuos, "dice Emanuela Del Gado, profesor asociado en el Departamento de Física de la Universidad de Georgetown, que no participó en esta investigación pero que ha colaborado con el equipo del MIT en el pasado. "Su física es importante en muchas industrias y tecnologías (desde alimentos hasta pintura, para cementar, productos de cuidado personal y aplicaciones biomédicas). Este artículo es el primer intento de identificar los rasgos microscópicos que unifican la mecánica de una clase de sistemas potencialmente amplia. conectando la microestructura [de los geles] con su comportamiento reológico ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.