Desde a pasta de dentes que você espreme na escova pela manhã, ao iogurte que você engole e ao amaciante de roupas que mantém seu pijama confortável e macio, géis são onipresentes em produtos de consumo, alimentos, e em aplicações industriais, também.

Contudo, até agora, os cientistas não conseguiram explicar as estruturas microscópicas dos géis que conferem sua elasticidade, ou elasticidade, nem como essas estruturas se formam. Uma equipe de cientistas da Universidade de Delaware, Instituto de Tecnologia de Massachusetts, A North Carolina State University e a University of Michigan descobriram que a elasticidade dos géis surge do empacotamento de aglomerados de partículas nos géis, que o grupo apelidou de aglomerados localmente vítreos.

Essa pesquisa, descrito em um artigo publicado na revista Nature Communications , poderia ajudar as pessoas a projetar melhores materiais e produtos em microescala. Essa percepção pode ajudar as empresas nos produtos de consumo, biotecnologia, e setores da agricultura e além.

Muitas empresas formulam e vendem produtos de gel, e às vezes, a rigidez dos géis muda como resultado da instabilidade. Eric Furst, professor e presidente do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da UD e um dos autores correspondentes do artigo, mantém um frasco velho de amaciante em uma prateleira de seu escritório e o usa para demonstrar o que acontece quando os géis se separam ou "colapsam". O produto deve ser fácil de derramar, mas quando vai mal, torna-se pegajoso e desagradável.

"Nossos resultados fornecem uma visão sobre como projetar a distribuição do tamanho do cluster para controlar a rigidez, fluxo, e estabilidade de materiais de gel, "disse Furst.

A primeira autora do novo artigo é Kathryn A. Whitaker, que recebeu um doutorado em engenharia química da UD em 2015 e agora é um engenheiro de pesquisa sênior na Dow em Midland, Michigan.

Investigando géis

Os géis são materiais semissólidos que fluem como líquidos, mas contêm partículas sólidas, também. Quando os cientistas examinam essas substâncias sob um microscópio, eles veem que as partículas sólidas dentro dos géis formam uma rede, como a estrutura de um edifício. Para fazer a substância fluir para que você possa espremê-la ou espalhá-la, você precisa quebrar essa estrutura. Quando isso requer muita força, a substância é rígida e tem um alto módulo de elasticidade. Quando menos força é necessária, a substância flui facilmente e tem um módulo de elasticidade inferior.

O grupo de pesquisa liderado por Furst estudou um gel feito de partículas de látex poli (metilmetacrilato) (PMMA), comumente conhecido como acrílico, disperso em uma mistura de dois líquidos incolores, ciclohexano e brometo de ciclohexila. Eles descobriram que este gel era composto de aglomerados vítreos de partículas conectadas umas às outras com áreas fracas entre eles. Para entender como esses clusters contribuíram para as propriedades do gel, a equipe queria determinar os limites onde cada cluster começava e terminava.

"Isso é como o Facebook, "disse Furst." Estávamos tentando descobrir - quem está conectado localmente a quem?

Colaborador James W. Swan, professor assistente de engenharia química no MIT, conduziu simulações para explorar a física por trás dos clusters. Ele então aplicou a teoria dos grafos, o estudo matemático de gráficos, aos dados de simulação para descobrir quais clusters se conectam entre si, identifique as bordas de cada grupo e codifique os clusters por cores. Era como definir os limites da mistura de grupos de amigos.

Próximo, os pesquisadores compararam os resultados da simulação com estudos físicos dos géis e confirmaram que as conexões e distribuições correspondiam às suas previsões. Eles determinaram que a maneira como esses aglomerados localmente vítreos se agrupam determina o módulo de elasticidade do material. Os clusters interconectados agem como rígidos, unidades de carga dentro do gel.

"Até agora, ninguém tinha visto e descrito como esses clusters empacotaram e como eles afetaram a elasticidade, "disse Furst." Nós juntamos o quebra-cabeça.

Os autores do artigo também incluem Zsigmond Varga, engenheiro de desenvolvimento de processos na ExxonMobil; Lilian C. Hsiao, professor assistente de engenharia química e biomolecular na North Carolina State University e Michael J. Solomon, professor de engenharia química e decano e vice-reitor de assuntos acadêmicos, Estudos de Pós-Graduação, Rackham Graduate School da Universidade de Michigan.

Este artigo levou anos para ser feito, à medida que os investigadores investigavam questões persistentes que os incomodavam e os incentivavam a continuar trabalhando.

"Esta descoberta foi o resultado do trabalho em equipe dos investigadores principais, as habilidades experimentais de nossos alunos, e a paixão e tenacidade que todos trouxemos à medida que resolvíamos esse problema, "disse Furst.