p Os pesquisadores do MIT desenvolveram um novo método para determinar a estrutura e o comportamento de uma classe de materiais macios amplamente utilizados, conhecidos como géis coloidais fracos, que são encontrados em tudo, desde cosméticos a materiais de construção. O estudo caracteriza os géis ao longo de toda a sua evolução, à medida que mudam de soluções minerais para géis elásticos e depois para sólidos vítreos. p O trabalho revela os mecanismos microestruturais subjacentes à forma como os géis mudam naturalmente ao longo do tempo, e como suas propriedades elásticas também mudam, ao longo do tempo e dependendo da taxa em que são experimentalmente deformados. Esta caracterização deve permitir um estudo mais aprofundado, predição, e talvez a manipulação do comportamento dos géis, abrindo portas para avanços em áreas como entrega de drogas e produção de alimentos, em que esses géis são ingredientes comuns, bem como em aplicações que variam de purificação de água a eliminação de resíduos nucleares, que usam esses géis coloidais em uma forma cristalizada, forma porosa conhecida como zeólitas.

p "Acreditamos que este novo quadro geral e compreensão da gelificação e subsequente processo de envelhecimento é de grande importância para os cientistas de materiais que trabalham com matéria mole, "diz Gareth McKinley, a Escola de Engenharia Professor de Inovação de Ensino e professor de engenharia mecânica no MIT.

p "Nossos resultados permitem aos pesquisadores determinar por que os géis coloidais fracos mostram aspectos do comportamento vítreo e do tipo gel, e possivelmente projetar os géis para ter características desejadas particulares em sua resposta mecânica, "diz Bavand Keshavarz, um pós-doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT e primeiro autor do novo estudo, que aparece em PNAS .

p A pesquisa foi realizada como parte de uma colaboração internacional envolvendo o MIT, Laboratório Nacional de Argonne, o Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, e a Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica.

p Usando géis de aluminossilicato, amplamente utilizado para fazer zeólitas, os pesquisadores superaram muitos dos desafios associados à caracterização desses materiais muito macios, que mudam continuamente ao longo do tempo, bem como exibindo propriedades diferentes dependendo da taxa em que são deformadas. Keshavarz compara seu comportamento ao de Silly Putty, que se estende e flui se você puxar lentamente, mas interrompe bruscamente se você der um puxão rápido.

p Os géis também envelhecem rapidamente, o que significa que os comportamentos mecânicos que exibem, embora já variasse em diferentes taxas de deformação, mudar rapidamente com o tempo. A maioria dos estudos anteriores focou no estudo desses materiais em seu estado maduro, Keshavarz diz.

p "Eles não puderam obter uma visão geral do gel porque a janela experimental de suas observações era bastante estreita, "Keshavarz diz.

p Para este estudo, os pesquisadores perceberam que poderiam tirar vantagem do processo de envelhecimento dos géis por meio de uma estrutura conhecida como "superposição de tempo-conectividade".

p Eles submeteram os silicatos de alumino a uma série repetida de frequências de deformação complexas conhecidas como chirps durante a gelificação e subsequentes processos de envelhecimento. Chirps, modelado após as sequências de sinal de ecolocalização produzidas por morcegos e golfinhos, teste muito rapidamente as propriedades de mudança de materiais macios.

p Ao aplicar repetidamente os sinais de chirp ao longo da evolução dos géis, os pesquisadores desenvolveram uma sequência do que poderia ser pensado como instantâneos informativos que representam as propriedades mecânicas dos géis à medida que foram submetidos a uma ampla gama de frequências de deformação abrangendo mais de oito ordens de magnitude (por exemplo, de 0,0001 hertz a 10, 000 hertz).

p "Isso significa que observamos o comportamento do material em uma ampla gama de frequências de sondagem, "diz Keshavarz, "de deformações muito lentas a muito rápidas."

p Os instantâneos resultantes forneceram um perfil abrangente das propriedades mecânicas dos géis, permitindo aos pesquisadores concluir que os géis coloidais fracos, também conhecido coloquialmente como materiais pastosos, tem uma natureza dupla, exibindo características de vidros e géis. Antes deste estudo, as limitadas perspectivas de observação dos pesquisadores os levaram a concluir que tais materiais eram géis ou vidros, não ter observado ambas as características em um único experimento.

p "Um cientista disse que é um gel, e o outro diz que é um copo. Ambos estão certos, "diz McKinley, comparando as características dos géis com as dos caramelos, que exibem os mesmos princípios de superposição de conectividade de tempo à medida que são aquecidos e podem ser macios e em borracha ou quebradiços e vítreos.

p Para observar a estrutura em evolução dos géis de aluminossilicato, além de examinar suas propriedades mecânicas ao longo do processo de gelificação e envelhecimento, os pesquisadores aplicaram o espalhamento de raios-X. Isso permitiu que eles resolvessem a estrutura do gel a partir de quando seus componentes químicos eram menores que o comprimento de onda da luz e, portanto, invisíveis sem a penetração dos raios-X. O processo permitiu aos pesquisadores observar a estrutura física dos géis em escalas de comprimento que variam mais de quatro ordens de magnitude, ampliando de uma escala de 1 mícron para 0,1 nanômetro.

p Observando os géis em escalas espaciais tão abrangentes, os pesquisadores descobriram que a rede semelhante a um fractal de partículas conectadas que se desenvolve à medida que as partículas se aglomeram em um gel permanece fixa além do ponto de gel. A rede cresce e adiciona clusters, mudando em escala, mas a estrutura principal ou "espinha dorsal" e a geometria permanecem as mesmas.

p Examinar os materiais em escalas espaciais tão abrangentes e combinar essas informações com as informações simultâneas sobre o comportamento mecânico dos materiais, os pesquisadores também concluíram que os aglomerados maiores dentro da rede relaxaram mais lentamente como um gel após serem deformados, enquanto os aglomerados menores relaxaram mais rapidamente como um material vítreo rígido. McKinley faz a analogia com as diferenças marcantes que experimentamos entre o tempo que leva para um colchão de espuma com memória se recuperar da compressão e o tempo que leva para um colchão convencional muito duro. Observar essa relação entre o tamanho dos aglomerados dentro do material e a taxa de relaxamento lança mais luz sobre as origens das propriedades distintas desses materiais macios.

p "Nosso trabalho abre uma nova perspectiva, "diz Keshavarz, "e abre caminho para que os pesquisadores desenvolvam uma visão mais abrangente sobre a natureza desses materiais pastosos."

p "Os géis coloidais são materiais onipresentes, "diz Emanuela Del Gado, professor associado do Departamento de Física da Universidade de Georgetown, que não esteve envolvido nesta pesquisa, mas já colaborou com a equipe do MIT no passado. "Sua física é importante em muitas indústrias e tecnologias (de alimentos a tintas, consolidar, produtos de higiene pessoal e aplicações biomédicas). Este artigo é a primeira tentativa de identificar as características microscópicas que unificam a mecânica de uma classe potencialmente ampla de sistemas, conectando a microestrutura [dos géis] ao seu comportamento reológico. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.