p As suspensões de microgel feitas de partículas microscópicas de polímero preenchido com líquido ocupam um curioso estado físico em algum lugar entre o líquido e o sólido, dando-lhes propriedades únicas e usos potenciais em estruturas de autocura, materiais opticamente ativos, microreatores, sistemas de entrega de drogas, e modelos para regenerar estruturas vivas, como ossos e músculos. p Usando simulações de computador em grande escala, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia já mapearam o surpreendente comportamento e a mecânica desses sistemas complexos de partículas-solvente, aprender como as partículas "moles e moles" se deformam, inchar, de-inchar, e penetram uns nos outros à medida que respondem à compressão. As descobertas podem ajudar a orientar o projeto de aplicativos baseados em microgel com propriedades exclusivas e úteis.

p "Queríamos entender amplamente o que acontece com essas partículas se você colocá-las juntas e começar a comprimi-las, "disse Alexander Alexeev, professor e bolsista do corpo docente Anderer na George W. Woodruff School of Mechanical Engineering da Georgia Tech. "Ao contrário das partículas rígidas que preenchem o espaço disponível e param de se comprimir, essas partículas têm vários processos que podem funcionar em paralelo dentro da suspensão. Os microgéis podem mudar de forma, Psiquiatra, e penetrar um no outro. Descobrimos que esses processos desempenham um papel variável quando você aumenta a densidade do número de partículas e as compacta o suficiente. "

p Os resultados do estudo foram relatados em 19 de outubro na revista Proceedings of the National Academy of Sciences . A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (NSF) e pela MCIU / AEI / FEDER EU, e as simulações utilizaram o Extreme Science and Engineering Discovery Environment da NSF.

p Usando simulações de computador de mesoescala, os pesquisadores estudaram o comportamento de suspensões comprimidas consistindo de microgéis que mudam de forma com diferentes arquiteturas em uma variedade de frações de empacotamento e condições de solvente. Eles descobriram que sob compressão, os microgéis "fofos" - que se assemelham a esponjas microscópicas com fios de polímero saindo deles - mudam de forma e encolhem, com interpenetração limitada entre as partículas.

p "Você pode usar sua suavidade e o fato de que mudam de forma para embalá-los ainda mais, "disse Alberto Fernandez-Nieves, ICREA Professor do Departamento de Física da Matéria Condensada da Universidade de Barcelona e professor adjunto da Escola de Física da Georgia Tech. "Há uma variedade de mecanismos para empacotá-los em um volume disponível, e esses mecanismos podem desempenhar um papel diferente dependendo da situação. Até este estudo, não sabíamos muito bem como os microgéis podiam ser embalados juntos, além de um pacote aleatório. "

p Sua capacidade de liberar solvente permite que os microgéis encolham e deformem, ao contrário das partículas duras em suspensões coloidais regulares. Além disso, os fios de polímero permitem que eles se interpenetrem e se sobreponham para empacotar mais partículas em um determinado espaço. As partículas de microgel variam em tamanho de 50 nanômetros a até 10 mícrons de diâmetro. Em suas simulações, Alexeev, Fernandez-Nieves, e recente Ph.D. Svetoslav Nikolov, graduado, estudou suspensões contendo cerca de cem partículas de microgel.

p “Sua compressibilidade é um novo ingrediente que não está presente em outras partículas moles, e pode trazer os aspectos fascinantes e únicos desses sistemas de microgel, "disse Fernandez-Nieves." Este estudo nos dá informações que precisamos para explorar essa suavidade para alcançar coisas que não seríamos capazes de fazer de outra forma. "

p As simulações forneceram informações sobre os efeitos de variáveis ​​como tipo de solvente e grau de compressão nas propriedades mecânicas dos microgéis na suspensão.

p "Se você olhar para as propriedades mecânicas da suspensão em diferentes solventes, você vê que as curvas são muito diferentes, "Alexeev disse." Se eles estão inchados, eles são fofos e podem se mover na suspensão. Se eles expulsarem solvente, eles podem ficar quase secos, portanto, as propriedades mecânicas podem mudar drasticamente. O que descobrimos é surpreendente e nada do que as pessoas esperavam. "

p Entre as principais descobertas fundamentais é que as propriedades mecânicas da suspensão podem ser quantificadas em termos do módulo de bulk de microgel único. "É como essas partículas se comprimem que determina as propriedades do material de toda a suspensão, quando suficientemente concentrada, "Fernandez-Nieves disse.

p "Você pode ter muitos tipos diferentes de comportamento, mas quando você dimensiona todos os comportamentos pela compressibilidade real de um microgel, todos os comportamentos vêm juntos, "Ele acrescentou." Isso significa que essa quantidade parece ser a mais importante a se considerar para entender as propriedades macroscópicas da suspensão. "

p Os pesquisadores usaram o Extreme Science and Engineering Discovery Environment da NSF para simular os sistemas de microgel. Embora o comportamento de sistemas baseados em partículas comuns possa parecer simples de estudar, a compressibilidade dos microgéis juntamente com a complexidade da reticulação do polímero tornou a simulação bastante grande, Alexeev observou.

p “Uma única partícula já é um sistema bastante complicado, "disse ele." A complexidade computacional forneceu descobertas que esperamos encorajarão os experimentalistas a explorar ainda mais o que esses sistemas únicos podem fazer. "