Les suspensions de microgel constituées de particules de polymère microscopiques remplies de liquide occupent un curieux état physique quelque part entre liquide et solide, leur conférant des propriétés uniques et des utilisations potentielles dans des structures d'auto-guérison, matériaux optiquement actifs, microréacteurs, systèmes de distribution de médicaments, et des modèles pour régénérer des structures vivantes telles que les os et les muscles.

À l'aide de simulations informatiques à grande échelle, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont maintenant cartographié le comportement et la mécanique surprenants de ces systèmes complexes particule-solvant, apprendre comment les particules « molles et spongieuses » se déforment, se gonfler, dégonfler, et se pénètrent en répondant à la compression. Les résultats pourraient aider à guider la conception d'applications à base de microgel avec des propriétés uniques et utiles.

"Nous voulions comprendre globalement ce qui arrive à ces particules si vous les mettez ensemble et commencez à les compresser, " a déclaré Alexandre Alexeev, professeur et membre de la faculté Anderer à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. "Contrairement aux particules rigides qui remplissent l'espace disponible puis cessent de se comprimer, ces particules ont de multiples processus qui peuvent fonctionner en parallèle à l'intérieur de la suspension. Les microgels peuvent changer de forme, rétrécir, et se pénètrent l'un l'autre. Nous avons constaté que ces processus jouent un rôle variable lorsque vous augmentez la densité du nombre de particules et que vous les comprimez suffisamment."

Les résultats de l'étude ont été publiés le 19 octobre dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences . La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (NSF) et le MCIU/AEI/FEDER EU, et les simulations ont utilisé l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment de la NSF.

À l'aide de simulations informatiques à mésoéchelle, les chercheurs ont étudié le comportement de suspensions compressées constituées de microgels à changement de forme avec différentes architectures à une variété de fractions de tassement et de conditions de solvant. Ils ont trouvé que sous compression, les microgels "duveteux" - qui ressemblent à des éponges microscopiques avec des fils de polymère qui s'étendent à partir d'eux - changent de forme et rétrécissent, avec une interpénétration limitée entre les particules.

"Vous pouvez utiliser leur douceur et le fait qu'ils changent de forme pour les emballer encore plus, " a déclaré Alberto Fernandez-Nieves, ICREA Professeur au Département de physique de la matière condensée de l'Université de Barcelone et professeur adjoint à la Georgia Tech's School of Physics. « Il existe une variété de mécanismes pour les emballer dans un volume disponible, et ces mécanismes peuvent jouer un rôle différent selon la situation. Jusqu'à cette étude, nous ne savions pas vraiment comment les microgels pouvaient être emballés ensemble au-delà d'un emballage rapproché aléatoire. »

Leur capacité à libérer du solvant permet aux microgels de se rétracter et de se déformer, contrairement aux particules dures dans les suspensions colloïdales régulières. En outre, les fils de polymère leur permettent de s'interpénétrer et de se chevaucher pour emballer plus de particules dans un espace donné. Les particules de microgel varient en taille de 50 nanomètres jusqu'à 10 microns de diamètre. Dans leurs simulations, Alexeev, Fernandez-Nièves, et récent doctorat. le diplômé Svetoslav Nikolov a étudié des suspensions contenant une centaine de particules de microgel.

"Leur compressibilité est un nouvel ingrédient qui n'est pas présent dans d'autres particules molles, et il peut apporter les aspects fascinants et uniques de ces systèmes de microgel, " a déclaré Fernandez-Nieves. " Cette étude nous donne des informations dont nous avons besoin pour exploiter cette douceur pour réaliser des choses que nous ne serions pas en mesure de faire autrement. "

Les simulations ont fourni des informations sur les effets de variables telles que le type de solvant et le degré de compression sur les propriétés mécaniques des microgels dans la suspension.

"Si vous regardez les propriétés mécaniques de la suspension dans différents solvants, tu vois les courbes sont très différentes, " Alexeev a dit. " S'ils sont enflés, ils sont duveteux et peuvent se déplacer dans la suspension. S'ils expulsent le solvant, ils peuvent devenir presque secs, les propriétés mécaniques peuvent donc changer radicalement. Ce que nous avons trouvé est surprenant et pas du tout ce à quoi les gens s'attendaient."

L'une des principales découvertes fondamentales est que les propriétés mécaniques de la suspension peuvent être quantifiées en termes de module de masse du microgel unique. « C'est la compression de ces particules qui détermine les propriétés matérielles de l'ensemble de la suspension lorsqu'elle est suffisamment concentrée, ", a déclaré Fernandez-Nieves.

« Vous pouvez avoir plusieurs types de comportements, mais lorsque vous mettez à l'échelle tous les comportements par la compressibilité réelle d'un microgel, tous les comportements se rejoignent, " a-t-il ajouté. " Cela signifie que cette quantité semble être la plus importante à considérer pour comprendre les propriétés macroscopiques de la suspension. "

Les chercheurs ont utilisé l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment de la NSF pour simuler les systèmes de microgel. Alors que le comportement des systèmes à base de particules ordinaires peut sembler simple à étudier, la compressibilité des microgels couplée à la complexité de la réticulation du polymère a rendu la simulation assez large, Alexeev a noté.

"Une seule particule est déjà un système assez compliqué, ", a-t-il déclaré. "La complexité informatique a fourni des résultats qui, nous l'espérons, encourageront les expérimentateurs à explorer davantage ce que ces systèmes uniques peuvent faire."