Du dentifrice que vous pressez sur votre brosse dès le matin au yaourt que vous avalez jusqu'à l'assouplissant qui garde votre pyjama confortable et doux, les gels sont omniprésents dans les produits de consommation, nourriture, et dans les applications industrielles, trop.

Cependant, jusqu'à maintenant, les scientifiques ont été incapables d'expliquer les structures microscopiques au sein des gels qui confèrent leur élasticité, ou l'élasticité, ni comment ces structures se forment. Une équipe de scientifiques de l'Université du Delaware, Massachusetts Institute of Technology, L'université d'État de Caroline du Nord et l'université du Michigan ont découvert que l'élasticité des gels résulte de l'accumulation d'amas de particules dans les gels, que le groupe a baptisé localement clusters vitreux.

Cette recherche, décrit dans un article publié dans la revue Communication Nature , pourrait aider les gens à concevoir de meilleurs matériaux et produits à l'échelle microscopique. Cette idée pourrait aider les entreprises dans les produits de consommation, biotechnologie, et les secteurs agricoles et au-delà.

De nombreuses entreprises formulent et vendent des produits de gel, et parfois, la rigidité des gels change en raison de l'instabilité. Eric Furst, professeur et président du département de génie chimique et biomoléculaire de l'UD et l'un des auteurs correspondants de l'article, garde une vieille bouteille d'assouplissant sur une étagère de son bureau et l'utilise pour montrer ce qui se passe lorsque les gels se séparent ou "s'effondrent". Le produit est censé être facile à verser, mais quand ça va mal, il devient glissant et peu attrayant.

"Nos résultats donnent un aperçu de la façon de concevoir la distribution de la taille des grappes pour contrôler la rigidité, couler, et stabilité des matériaux en gel, " dit Furst.

Le premier auteur du nouvel article est Kathryn A. Whitaker, qui a obtenu un doctorat en génie chimique de l'UD en 2015 et est maintenant ingénieur de recherche senior chez Dow à Midland, Michigan.

Gels d'investigation

Les gels sont des matériaux semi-solides qui s'écoulent comme des liquides mais contiennent des particules solides, trop. Lorsque les scientifiques examinent ces substances au microscope, ils voient que les particules solides au sein des gels forment un réseau, comme la structure d'un bâtiment. Pour faire couler la substance afin que vous puissiez la presser ou l'étaler finement, vous devez briser cette structure. Lorsque cela nécessite beaucoup de force, la substance est rigide et a un module d'élasticité élevé. Lorsque moins de force est requise, la substance s'écoule facilement et a un module d'élasticité inférieur.

Le groupe de recherche dirigé par Furst a étudié un gel composé de particules de latex de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), communément appelé acrylique, dispersé dans un mélange de deux liquides incolores, cyclohexane et bromure de cyclohexyle. Ils ont découvert que ce gel était composé d'amas vitreux de particules connectées les unes aux autres avec des zones faibles entre les deux. Pour comprendre comment ces amas ont contribué aux propriétés du gel, l'équipe voulait déterminer les limites où chaque groupe commençait et se terminait.

"C'est comme Facebook, " a déclaré Furst. "Nous essayions de comprendre - qui est connecté localement à qui?"

Collaborateur James W. Swan, professeur assistant de génie chimique au MIT, ont mené des simulations pour explorer la physique derrière les clusters. Il a ensuite appliqué la théorie des graphes, l'étude mathématique des graphes, aux données de simulation pour déterminer quels clusters sont connectés les uns aux autres, identifiez les bords de chaque groupe et attribuez un code couleur aux groupes. C'était comme définir les limites de groupes d'amis entremêlés.

Prochain, les chercheurs ont comparé les résultats de la simulation aux études physiques des gels et ont confirmé que les connexions et les distributions correspondaient à leurs prédictions. Ils ont déterminé que la façon dont ces amas localement vitreux s'assemblent détermine le module d'élasticité du matériau. Les clusters interconnectés agissent comme rigides, unités porteuses à l'intérieur du gel.

"Jusqu'à maintenant, personne n'avait vu et décrit comment ces grappes s'entassaient et comment elles affectaient l'élasticité, " a déclaré Furst. "Nous avons rassemblé le puzzle."

Les auteurs de l'article incluent également Zsigmond Varga, un ingénieur en développement de procédés chez ExxonMobil; Lilian C. Hsiao, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à la North Carolina State University et Michael J. Solomon, professeur de génie chimique et doyen et vice-recteur aux affaires académiques, Études supérieures, Rackham Graduate School de l'Université du Michigan.

Ce document était en préparation depuis des années alors que les enquêteurs suivaient les questions persistantes qui les dérangeaient et les incitaient à continuer de travailler.

« Cette découverte est le résultat du travail d'équipe des principaux chercheurs, les compétences expérimentales de nos étudiants, et la passion et la ténacité que nous avons tous apportées pendant que nous travaillions sur ce problème, " dit Furst.