O termo "gel coloidal" pode não ser uma expressão familiar, mas exemplos desses materiais estão em toda parte em nossas vidas diárias, de pasta de dente e gel de banho à maionese e iogurte. Os géis coloidais são misturas de partículas suspensas em fluido, e dependendo de como eles são manipulados, esses géis podem fluir como um líquido ou manter sua forma como um sólido.

Agora, os pesquisadores do MIT investigaram a microestrutura dos géis coloidais e identificaram uma variedade surpreendentemente rica de comportamentos nesses géis moles, materiais que desafiam as fases.

A equipe capturou filmes de géis coloidais à medida que se formavam, começando como partículas individuais na água e evoluindo para espessas, goo uniforme. Os pesquisadores ampliaram em várias escalas de tamanho para observar qualquer atividade no material de transformação, e descobriu uma variedade de comportamentos dependentes de escala.

Os pesquisadores dizem que suas descobertas, relatado em 27 de fevereiro no jornal Cartas de revisão física , representam o primeiro estudo abrangente da microestrutura de géis coloidais. O trabalho pode ajudar os cientistas a ajustar as propriedades dos materiais de uma variedade de produtos comuns.

Um exemplo que vem à mente, diz a coautora do estudo Irmgard Bischofberger, está tratando do problema da sempre presente película de líquido na superfície da maioria dos iogurtes. Este líquido é empurrado para fora da maior parte do iogurte durante o seu transporte, ou vaza como resultado da gravidade, enquanto o iogurte fica em uma prateleira por um longo período.

"Você quer que o iogurte suporte vibrações e gravidade e evite colapsar, mas você não quer tornar todo o seu material mais forte de uma forma que não pareça muito bom quando você comê-lo, "diz Bischofberger, professor assistente de engenharia mecânica no MIT. "Saber todas essas informações de como o material se comporta em escalas de comprimento permite que você encontre maneiras de ajustar um aspecto específico do material."

Os co-autores de Bischofberger são o estudante de graduação do MIT Jae Hyung Cho e Roberto Cerbino, da Universidade de Milão.

Um único tiro

Os cientistas normalmente exploram a microestrutura dos géis coloidais usando configurações de laser especializadas para espalhar a luz em vários ângulos, para capturar informações sobre um material em diferentes escalas de comprimento. Bischofberger diz que seriam necessárias muitas execuções experimentais para capturar imagens do mesmo material em todas as resoluções.

O colaborador da equipe do MIT, Cerbino, já havia descoberto que, usando um microscópio óptico simples, com uma resolução nítida o suficiente para resolver tudo, desde as partículas individuais de um material até suas propriedades em massa, ele poderia gravar filmes do material e então usar um código de computador para analisar as imagens em comprimentos de pixel prescritos. Por exemplo, o código pode ser configurado para analisar os movimentos dentro de vários pixels, ou entre centenas de pixels, ou em toda a imagem. Desta maneira, Cerbino foi capaz de capturar a dinâmica de um material em todas as escalas de comprimento "em uma única tomada, "Bischofberger diz.

Cerbino demonstrou anteriormente esta técnica, conhecido como microscopia dinâmica diferencial, ou DDM, por imagens de partículas individuais em uma solução simples. Para este novo estudo, a equipe aplicou DDM para explorar géis coloidais, uma classe de materiais mais complexa.

"Esses materiais têm propriedades fascinantes, "Diz Cho." Para entender essas propriedades, você precisa entender as estruturas que abrangem diferentes escalas de comprimento, a partir de escalas de partículas individuais de dezenas de nanômetros, às estruturas que eles formam, que mede centenas de mícrons de diâmetro. "

Nossos corpos, nossos eus suaves

Cho primeiro projetou um gel coloidal que o grupo poderia facilmente controlar e estudar. O material é uma mistura de água e partículas de poliestireno, que Cho escolheu para sua cobertura externa exclusiva. Cada partícula é cercada por uma camada sensível à temperatura que, em baixas temperaturas, assemelha-se a um exterior pontiagudo que evita que uma partícula fique muito perto de quaisquer partículas vizinhas. Em temperaturas mais quentes, a casca efetivamente encolhe, e a força de atração natural da partícula assume, trazendo-o para mais perto de outras partículas, ao qual ele pode ser anexado.

Os pesquisadores misturaram as partículas em diferentes concentrações com água e colocaram cada amostra em uma placa termoelétrica, que eles definiram sob um microscópio óptico convencional. Eles tiraram imagens de cada amostra enquanto aumentavam a temperatura da placa, e assisti as amostras evoluírem para um gel coloidal, virando de um líquido leitoso, para um grosso, consistência semelhante a iogurte.

Depois, eles usaram um código de computador baseado na transformada de Fourier, um tipo de técnica de processamento de imagem que decompõe uma imagem em várias frequências e escalas espaciais, para extrair dados de movimento automaticamente em diferentes escalas de comprimento, de partículas individuais a grandes, redes de partículas conectadas.

"Usamos um único filme, composto de muitas imagens de uma amostra, e olhe para a amostra através de janelas diferentes, "Cho diz.

Eles descobriram que, nas menores escalas, partículas individuais pareciam se mover livremente, balançando e vibrando em torno um do outro. Conforme o gel evoluiu, partículas individuais aglomeradas, formando fios ou redes maiores que se moviam juntos de maneira mais restrita. No final da formação do gel, múltiplas redes de partículas aglutinadas umas nas outras em todo o material, formando uma espécie de teia rígida que se movia apenas ligeiramente, como uma estrutura homogênea.

As estruturas que eles observaram se assemelhavam a um padrão fractal auto-repetitivo, em que partículas individuais aderem umas às outras em redes e estruturas cada vez maiores. Outros observaram esse padrão fractal em géis coloidais, ao longo de um certo intervalo de escalas de comprimento. Esta é a primeira vez que os cientistas caracterizam o comportamento de géis coloidais dentro e fora desta faixa fractal, simultaneamente, e observamos comportamentos diferentes - neste caso, graus de movimento - em diferentes escalas.

"É essa superposição de diferentes modos de movimento que dá aos géis coloidais essas propriedades extremamente ricas, "Bischofberger diz." Eles podem se comportar como líquidos e sólidos. Tudo isso é consequência do fato de haver movimento em tantas escalas de comprimento diferentes, e esse movimento é diferente em diferentes escalas. "

Os pesquisadores dizem que seu novo método pode ser usado para explorar a microestrutura de outros materiais moles, como células e tecidos biológicos.

"Nossos corpos são materiais macios, como géis coloidais, "Cho observa." Se usarmos esta técnica para estudar sistemas biológicos, isso pode ajudar a otimizar a entrega de medicamentos, que envolve o transporte de drogas por meio de redes semelhantes. "

A nova técnica da equipe, que se baseia em microscópios ópticos que são facilmente acessíveis na maioria dos laboratórios, pode ser útil não apenas na caracterização, mas também ajustando as propriedades dos materiais macios.

"Se eu quiser um material forte, eu tenho que brincar com o que acontece nas escalas menores ou maiores? ", diz Bischofberger." Por exemplo, se você quiser algo com alta resistência, mas com uma textura suave, o que eu preciso fazer para obter esse sistema? Ter todas essas informações de microestrutura ajuda você a saber por onde começar com o projeto. "

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.