El término "gel coloidal" puede no ser una frase familiar, pero hay ejemplos de estos materiales en todas partes en nuestra vida diaria, desde pasta de dientes y gel de ducha hasta mayonesa y yogur. Los geles coloidales son mezclas de partículas suspendidas en un fluido, y dependiendo de cómo se manipulen, estos geles pueden fluir como un líquido o mantener su forma como un sólido.

Ahora, los investigadores del MIT han examinado la microestructura de los geles coloidales e identificado una variedad sorprendentemente rica de comportamientos en estos blandos, materiales que desafían la fase.

El equipo capturó películas de geles coloidales a medida que se formaban, comenzando como partículas individuales en el agua y evolucionando a espesas, goo uniforme. Los investigadores hicieron zoom en varias escalas de tamaño para observar cualquier actividad en el material morphing, y descubrió una variedad de comportamientos dependientes de la escala.

Los investigadores dicen que sus hallazgos, informó el 27 de febrero en la revista Cartas de revisión física , representan el primer estudio completo de la microestructura de los geles coloidales. El trabajo puede ayudar a los científicos a ajustar las propiedades de los materiales de una variedad de productos comunes.

Un ejemplo que me viene a la mente dice el coautor del estudio Irmgard Bischofberger, está abordando el problema de la película siempre presente de líquido en la superficie de la mayoría de los yogures. Este líquido se empuja fuera de la mayor parte del yogur durante su transporte, o se filtra como resultado de la gravedad, mientras el yogur permanece en un estante durante un período prolongado.

"Quieres que el yogur resista las vibraciones y la gravedad y evite colapsar, pero no desea fortalecer todo su material de una manera que no se sienta del todo bien cuando lo coma, "dice Bischofberger, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT. "Conocer toda esta información sobre cómo se comporta el material en las escalas de longitud le permite encontrar formas de ajustar un aspecto específico del material".

Los coautores de Bischofberger son el estudiante graduado del MIT Jae Hyung Cho y Roberto Cerbino de la Universidad de Milán.

Un solo tiro

Los científicos generalmente han explorado la microestructura de los geles coloidales utilizando configuraciones láser especializadas para dispersar la luz en múltiples ángulos. para capturar información sobre un material en diferentes escalas de longitud. Bischofberger dice que se necesitarían muchas ejecuciones experimentales para capturar imágenes del mismo material en todas las resoluciones.

Colaborador del equipo del MIT, Cerbino, había descubierto previamente que al usar un simple microscopio óptico, con una resolución lo suficientemente nítida como para resolver todo, desde las partículas individuales de un material hasta sus propiedades a granel, podía grabar películas del material y luego usar un código de computadora para analizar las imágenes con longitudes de píxeles prescritas. Por ejemplo, el código podría configurarse para analizar los movimientos dentro de varios píxeles, o entre cientos de píxeles, o en toda la imagen. De este modo, Cerbino pudo capturar la dinámica de un material en todas las escalas de longitud "en una sola toma, ", Dice Bischofberger.

Cerbino demostró previamente esta técnica, conocido como microscopía dinámica diferencial, o DDM, mediante la obtención de imágenes de partículas individuales en una solución simple. Para este nuevo estudio, el equipo aplicó DDM para explorar geles coloidales, una clase de materiales más compleja.

"Estos materiales tienen propiedades fascinantes, "Cho dice". Para comprender estas propiedades, necesita comprender las estructuras que abarcan diferentes escalas de longitud, a partir de escalas de partículas individuales de decenas de nanómetros, a las estructuras que forman, que abarcan cientos de micrones de ancho ".

Nuestros cuerpos, nuestro suave yo

Cho primero diseñó un gel coloidal que el grupo pudo controlar y estudiar fácilmente. El material es una mezcla de agua y partículas de poliestireno, que Cho eligió por su capa exterior única. Cada partícula está rodeada por una capa sensible a la temperatura que, a bajas temperaturas, se asemeja a un exterior puntiagudo que evita que una partícula se acerque demasiado a las partículas vecinas. En temperaturas más cálidas, la cáscara efectivamente se contrae, y la fuerza de atracción natural de la partícula se hace cargo, acercándolo a otras partículas, al que luego se puede adjuntar.

Los investigadores mezclaron las partículas en diferentes concentraciones con agua y colocaron cada muestra en una placa termoeléctrica. que colocan bajo un microscopio óptico convencional. Tomaron imágenes de cada muestra mientras subían la temperatura del plato, y observó la evolución de las muestras a un gel coloidal, pasando de un líquido lechoso, a un más grueso, consistencia parecida al yogur.

Después, usaron un código de computadora basado en la transformada de Fourier, un tipo de técnica de procesamiento de imágenes que descompone una imagen en varias frecuencias y escalas espaciales, para extraer automáticamente datos de movimiento en diferentes escalas de longitud, de partículas individuales a grandes, redes de partículas conectadas.

"Usamos una sola película, compuesto por muchas imágenes de una muestra, y mirar la muestra a través de diferentes ventanas, "Cho dice.

Ellos encontraron que en las escalas más pequeñas, las partículas individuales parecían moverse libremente, meneándose y vibrando uno alrededor del otro. A medida que evolucionó el gel, partículas individuales agrupadas, formando hebras o redes más grandes que se movían juntas de una manera más restringida. Al final de la formación del gel, múltiples redes de partículas se pegaban unas a otras a través del material, formando una especie de telaraña rígida que se movía solo un poco, como una estructura homogénea.

Las estructuras que observaron se asemejaban a un patrón fractal que se repite a sí mismo, en el que las partículas individuales se pegaron entre sí en redes y estructuras cada vez más grandes. Otros han observado este patrón fractal en geles coloidales, en un cierto rango de escalas de longitud. Esta es la primera vez que los científicos han caracterizado el comportamiento de los geles coloidales tanto dentro como fuera de este rango fractal. simultaneamente, y observaron diferentes comportamientos, en este caso, grados de movimiento, en diferentes escalas.

"Es esta superposición de diferentes modos de movimiento lo que le da a los geles coloidales estas propiedades extremadamente ricas, "Dice Bischofberger." Pueden comportarse tanto como líquidos como sólidos. Todo eso es una consecuencia del hecho de que hay movimiento en tantas escalas de longitud diferentes, y ese movimiento es diferente a diferentes escalas ".

Los investigadores dicen que su nuevo método se puede utilizar para explorar la microestructura de otros materiales blandos como tejidos biológicos y células.

"Nuestros cuerpos son materiales blandos como geles coloidales, "Cho señala." Si usamos esta técnica para estudiar sistemas biológicos, esto podría ayudar a optimizar la administración de medicamentos, lo que implica el transporte de drogas a través de redes similares ".

La nueva técnica del equipo, que se basa en microscopios ópticos que son fácilmente accesibles en la mayoría de los laboratorios, puede ser útil no solo para caracterizar, pero también afinando las propiedades de los materiales blandos.

"Si quiero un material fuerte, ¿Tengo que jugar con lo que sucede en la escala más pequeña o en la escala más grande? ", dice Bischofberger." Por ejemplo, si desea algo con alta resistencia pero con una textura suave, ¿qué debería hacer para obtener un sistema de este tipo? Tener toda esta información de microestructura le ayuda a saber por dónde empezar con el diseño ".

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.