“Gel koloid”, yang ada di mana-mana dalam produk sehari-hari, mengungkapkan rahasia evolusi mereka

Partikel-partikel ini, yang menyerupai bola mikroskopis dari wol rajutan, sebenarnya adalah partikel zeolit ​​anorganik. Partikel kristal mikro terbentuk sebagai hasil pengendapan saat hidrogel koloid aluminosilikat berevolusi, dimulai sebagai larutan mineral encer, menjadi gel viskoelastik dan akhirnya menjadi padatan kaca lunak. Penulis: atas izin para peneliti

Studi ini menyelidiki sifat mekanik bahan-bahan ini ketika mereka diubah dari gel elastis menjadi padatan kaca.

Peneliti di З mengembangkan metode baru untuk menentukan struktur dan perilaku kelas bahan lunak yang banyak digunakan yang dikenal sebagai gel koloid lemah, yang hadir dalam segala hal mulai dari kosmetik hingga bahan bangunan. Studi ini mengkarakterisasi gel selama evolusinya saat mereka berevolusi dari larutan mineral menjadi gel elastis dan kemudian menjadi padatan kaca.

Karya ini mengungkapkan mekanisme mikrostruktur yang mendasari bagaimana gel berubah secara alami dari waktu ke waktu, dan bagaimana sifat elastisnya berubah, baik dari waktu ke waktu maupun tergantung pada tingkat deformasi eksperimentalnya. Karakteristik ini harus memungkinkan studi lebih lanjut, prediksi dan kemungkinan manipulasi perilaku gel, membuka pintu bagi kemajuan di berbagai bidang seperti pengiriman obat dan produksi makanan di mana gel ini merupakan bahan umum, dan dalam aplikasi mulai dari pemurnian air dan mengakhiri nuklir. limbah menggunakan gel koloid ini dalam bentuk kristal dan berpori yang dikenal sebagai zeolit.

“Kami percaya bahwa gambaran keseluruhan yang baru dan pemahaman tentang pembentuk gel dan proses penuaan selanjutnya sangat penting bagi ilmuwan material lunak,” kata Gareth McKinley, seorang profesor di School of Engineering dan profesor teknik mesin di Massachusetts Institute of Technology .

“Hasil kami memungkinkan peneliti untuk menentukan mengapa gel koloid lemah menunjukkan aspek perilaku seperti cairan vitreus dan gel, dan mungkin membuat gel memiliki karakteristik tertentu yang diinginkan dalam respons mekanisnya,” kata Bawand Keshawartz, MD di Departemen Teknik Mesin. Ilmu MIT. Teknik dan penulis pertama studi baru yang muncul di PNAS.

Studi tersebut dilakukan dalam kolaborasi internasional yang melibatkan MIT, Laboratorium Nasional Argon, Pusat Penelitian Ilmiah Nasional Prancis, dan Komisi Energi Alternatif dan Energi Atom Prancis.

Menggunakan gel aluminosilikat, yang banyak digunakan untuk membuat zeolit, para peneliti mengatasi banyak masalah yang terkait dengan karakterisasi bahan yang sangat lembut ini, yang terus berubah dari waktu ke waktu, dan menunjukkan sifat yang berbeda tergantung pada laju regangan. Keshawartz membandingkan perilaku mereka dengan dempul bodoh yang meregang dan mengalir saat Anda menariknya perlahan, tetapi tiba-tiba putus saat Anda menariknya dengan cepat.

Gel juga menua dengan cepat, yang berarti bahwa perilaku mekanis yang mereka tunjukkan, meskipun sudah berubah pada tingkat regangan yang berbeda, berubah dengan cepat seiring waktu. Sebagian besar penelitian sebelumnya berfokus pada mempelajari bahan-bahan ini dalam keadaan matang, kata Keshawartz.

“Mereka tidak bisa mendapatkan gambaran umum tentang gel karena jendela eksperimental pengamatan mereka cukup sempit,” kata Keshawartz.

Sebagai bagian dari studi ini, para peneliti menyadari bahwa mereka dapat memanfaatkan proses penuaan gel dalam kerangka yang dikenal sebagai “superposisi ikatan temporal”.

Mereka menggunakan aluminosilikat untuk serangkaian frekuensi regangan kompleks yang berulang yang dikenal sebagai kericau selama pembentuk gel dan proses penuaan berikutnya. Twitter, yang meniru sinyal ekolokasi yang dihasilkan oleh kelelawar dan lumba-lumba, dengan sangat cepat memeriksa sifat dari berbagai bahan lunak.

Berulang kali menggunakan sinyal twitter selama evolusi gel, para peneliti mengembangkan urutan dari apa yang dapat dianggap gambar informasional mewakili sifat mekanik gel karena mereka dikenakan berbagai frekuensi regangan lebih dari delapan kali lipat1 (misalnya, dari 0,000 hertz sampai 10,000 hertz).

“Ini berarti bahwa kami telah mempertimbangkan perilaku material dalam rentang frekuensi probe yang sangat luas,” kata Keshawartz, “dari deformasi yang sangat lambat hingga yang sangat cepat.”

Gambar yang dihasilkan memberikan profil komprehensif tentang sifat mekanik gel, yang memungkinkan para peneliti menyimpulkan bahwa gel koloid lemah, yang juga dalam bahasa sehari-hari disebut bahan pucat, memiliki sifat ganda, menunjukkan karakteristik kacamata dan gel. Sebelum penelitian ini, perspektif pengamatan yang terbatas membuat mereka menyimpulkan bahwa bahan tersebut adalah gel atau gelas tanpa mengamati kedua fitur tersebut dalam satu percobaan.

“Seorang ilmuwan mengatakan itu gel dan yang lainnya adalah gelas. Keduanya benar, kata McKinley, membandingkan karakteristik gel dengan karamel, yang menunjukkan prinsip superposisi ikatan waktu yang sama seperti saat dipanaskan, dan dapat menjadi lembut dan kenyal, atau rapuh dan seperti kaca.

Untuk mengamati perkembangan struktur gel aluminosilikat, selain mempelajari sifat mekaniknya selama proses gelasi dan penuaan, para peneliti menerapkan hamburan sinar-X. Hal ini memungkinkan mereka untuk menentukan struktur gel dari saat komponen kimianya lebih kecil dari panjang gelombang cahaya dan dengan demikian tidak terlihat tanpa penetrasi sinar-X. Proses tersebut memungkinkan para peneliti untuk mengamati struktur fisik gel pada skala yang berkisar dari empat kali lipat, meningkatkan skala dari 1 μm menjadi 0,1 nanometer.

Dengan mengamati gel pada skala spasial yang begitu besar, para peneliti menemukan bahwa jaringan seperti fraktal dari partikel terikat yang berkembang saat partikel terkumpul di dalam gel tetap berada di luar titik gel. Grid tumbuh dan menambah cluster, bervariasi dalam skala, tetapi struktur dasar atau “pondasi” dan geometri tetap sama.

Memeriksa material dalam skala spasial yang begitu besar dan menggabungkan informasi ini dengan informasi simultan tentang perilaku mekanik material, para peneliti juga menyimpulkan bahwa cluster besar dalam jaringan secara bertahap mengendurkan seperti gel setelah deformasi, dan cluster yang lebih kecil lebih cepat rileks daripada kaca padat. McKinley membuat analogi dengan perbedaan nyata yang kami rasakan antara waktu yang dibutuhkan kasur busa memori untuk pulih setelah kompresi, dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan oleh kasur konvensional yang sangat keras. Mengamati hubungan antara ukuran cluster dalam material dan laju relaksasi menjelaskan lebih jauh tentang asal mula sifat khas dari bahan lunak ini.

“Pekerjaan kami membuka perspektif baru,” kata Keshawartz, “dan membuka jalan bagi para peneliti untuk mengembangkan pemahaman yang lebih baik tentang sifat bahan-bahan pucat ini.”

“Gel koloid adalah bahan yang bisa ditemukan di mana-mana,” kata Emanuela Del Gado, seorang profesor fisika di Universitas Georgetown, yang tidak berpartisipasi dalam penelitian ini tetapi telah bekerja dengan tim MIT di masa lalu. “Fisika mereka penting dalam banyak industri dan teknologi (dari makanan hingga cat, semen, produk perawatan pribadi, dan fasilitas biomedis). Makalah ini adalah upaya pertama untuk mengidentifikasi fitur mikroskopis yang menyatukan mekanisme kelas sistem yang berpotensi luas dengan menghubungkan [the gels’] struktur mikro dari perilaku reologi mereka ”.

Referensi: “Superposisi pada koneksi temporal dan dualitas gel / gelas gel koloid lemah” oleh Bavand Keshavarets, Donatien Gomez Rodriguez, Jean-Baptiste Champenois, Matthew G. Fritt, Jan Ilawski, Michele Hera, Thibaut Diwu, Gareth Puli H. Arc , 13 April 2021, Prosiding National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073 / pnas. 2022339118

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Menyelidiki lebih dalam tentang asal usul sinar kosmik dengan gerakan Brown geometris

Representasi skema sinar kosmik yang merambat melalui awan magnetik. Kredit: Salvatore Buonocore Model simulasi menyediakan langkah pertama dalam mengembangkan algoritma untuk meningkatkan metode deteksi. Sinar...

Penyerapan elektron terpisah yang ditangkap dalam film

Film menangkap gambar penangkapan elektron terpisah. Kredit: Javier Marmolejo Para peneliti di Universitas Gothenburg telah mengamati penyerapan satu elektron oleh tetesan melayang dengan amplitudo...

Perlindungan probiotik? Bakteri Usus Ditemukan Melindungi Usus Terhadap Virus COVID-19

Para peneliti dari Universitas Yonsei di Korea Selatan telah menemukan bahwa bakteri tertentu yang hidup di usus manusia mengeluarkan obat yang menghambat SARS-CoV-2. ...

Menggali sejarah populasi Neanderthal menggunakan DNA nuklir purba dari sedimen gua

Galeri patung gua di Spanyol utara. Penulis: Javier Trueba - film sains Madrid DNA mitokondria manusia purba telah diekstraksi dari deposit gua, tetapi nilainya...

Sakelar Semikonduktor Berpanduan Laser untuk Komunikasi Generasi Selanjutnya

Insinyur Laboratorium Nasional Lawrence Livermore telah menemukan jenis baru sakelar semikonduktor yang digerakkan oleh laser yang secara teoritis dapat mencapai kecepatan lebih tinggi pada...

Newsletter

Subscribe to stay updated.