Desde la pasta de dientes que aprieta con el cepillo a primera hora de la mañana hasta el yogur que baja hasta el suavizante de telas que mantiene el pijama suave y acogedor, los geles son ubicuos en productos de consumo, alimentos y también en aplicaciones industriales.
Sin embargo, hasta ahora, los científicos no han podido explicar las estructuras microscópicas dentro de los geles que imparten su elasticidad o elasticidad, ni cómo se forman esas estructuras. Un equipo de científicos de la Universidad de Delaware, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Estado de Carolina del NorteLa Universidad y la Universidad de Michigan descubrieron que la elasticidad de los geles surge de la acumulación de grupos de partículas en los geles, que el grupo denominó grupos localmente vidriosos.
Esta investigación, descrita en un artículo publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría ayudar a las personas a diseñar mejores materiales y productos a microescala. Esta información podría ayudar a las empresas en los sectores de productos de consumo, biotecnología y agricultura y más allá.
Muchas compañías formulan y venden productos de gel y, a veces, la rigidez de los geles cambia como resultado de la inestabilidad. Eric Furst, profesor y presidente del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de UD y uno de los autores correspondientes del artículo, mantiene una botella viejade suavizante de telas en un estante de su oficina y lo usa para demostrar lo que sucede cuando los geles se separan o "colapsan". Se supone que el producto es fácil de verter, pero cuando se deteriora, se vuelve pegajoso y poco atractivo.
"Nuestros resultados proporcionan información sobre cómo diseñar la distribución del tamaño del grupo para controlar la rigidez, el flujo y la estabilidad de los materiales de gel", dijo Furst.
La primera autora del nuevo artículo es Kathryn A. Whitaker, quien recibió un doctorado en ingeniería química de la UD en 2015 y ahora es ingeniera de investigación senior en Dow en Midland, Michigan.
Investigando geles
Los geles son materiales semisólidos que fluyen como líquidos pero también contienen partículas sólidas. Cuando los científicos examinan estas sustancias bajo un microscopio, ven que las partículas sólidas dentro de los geles forman una red, como la estructura de un edificio.el flujo de la sustancia para que pueda apretarlo o extenderlo, necesita romper esa estructura. Cuando esto requiere mucha fuerza, la sustancia es rígida y tiene un alto módulo elástico. Cuando se requiere menos fuerza, la sustancia fluye fácilmente ytiene un módulo elástico más bajo.
El grupo de investigación dirigido por Furst estudió un gel hecho de partículas de látex de poli metacrilato de metilo PMMA, comúnmente conocido como acrílico, dispersado en una mezcla de dos líquidos incoloros, ciclohexano y bromuro de ciclohexilo. Descubrieron que este gel estaba compuestode grupos vidriosos de partículas conectadas entre sí con áreas débiles en el medio. Para comprender cómo estos grupos contribuyeron a las propiedades del gel, el equipo quería determinar los límites donde cada grupo comenzó y terminó.
"Esto es como Facebook", dijo Furst. "Estábamos tratando de averiguar: ¿quién está conectado localmente con quién?"
El colaborador James W. Swan, profesor asistente de ingeniería química en el MIT, realizó simulaciones para explorar la física detrás de los conglomerados. Luego aplicó la teoría de grafos, el estudio matemático de los grafos, a los datos de simulación para descubrir qué conglomerados se conectaban a cada unootro, identifique los bordes de cada grupo y codifique por colores los grupos. Fue como definir los límites de la mezcla de grupos de amigos.
Luego, los investigadores compararon los resultados de la simulación con los estudios físicos de los geles y confirmaron que las conexiones y distribuciones coincidían con sus predicciones. Determinaron que la forma en que estos grupos localmente vidriosos se juntan determina el módulo elástico del material. Los grupos interconectados actúan como rígidos, unidades de carga dentro del gel.
"Hasta ahora, nadie había visto y descrito cómo se agrupaban estos grupos y cómo afectaban la elasticidad", dijo Furst. "Hemos reunido el rompecabezas".
Los autores del artículo también incluyen a Zsigmond Varga, ingeniero de desarrollo de procesos en ExxonMobil; Lilian C. Hsiao, profesora asistente de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y Michael J. Solomon, profesor de ingeniería química y Dean y ViceRector de Asuntos Académicos, Estudios de Posgrado, Escuela de Graduados de Rackham en la Universidad de Michigan.
Este documento tardó años en prepararse, ya que los investigadores hicieron un seguimiento de las preguntas persistentes que los molestaron y los impulsaron a seguir trabajando.
"Este descubrimiento fue el resultado del trabajo en equipo de los investigadores principales, las habilidades experimentales de nuestros estudiantes y la pasión y tenacidad que todos trajimos al resolver este problema", dijo Furst.
La financiación para este proyecto provino del Instituto Internacional de Investigación de Partículas Finas, la Fundación Nacional de Ciencias, el Fondo de Investigación de Petróleo de la American Chemical Society ACS.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Delaware . Original escrito por Julie Stewart. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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