Des chercheurs du MIT ont développé une nouvelle méthode pour déterminer la structure et le comportement d'une classe de matériaux mous largement utilisés connus sous le nom de gels colloïdaux faibles, qui se trouvent dans tout, des cosmétiques aux matériaux de construction. L'étude caractérise les gels sur toute leur évolution, au fur et à mesure qu'ils passent des solutions minérales aux gels élastiques puis aux solides vitreux.

Le travail découvre les mécanismes microstructuraux qui sous-tendent la façon dont les gels changent naturellement au fil du temps, et comment leurs propriétés élastiques changent également, à la fois dans le temps et en fonction de la vitesse à laquelle ils sont déformés expérimentalement. Cette caractérisation devrait permettre une étude plus approfondie, prédiction, et peut-être la manipulation du comportement des gels, ouvrir les portes aux avancées dans des domaines tels que la livraison de médicaments et la production alimentaire, dans lesquels ces gels sont des ingrédients communs, ainsi que dans des applications allant de la purification de l'eau à l'élimination des déchets nucléaires, qui utilisent ces gels colloïdaux sous forme cristallisée, forme poreuse connue sous le nom de zéolites.

"Nous pensons que cette nouvelle image globale et cette compréhension de la gélification et du processus de vieillissement ultérieur sont d'une grande importance pour les scientifiques des matériaux qui travaillent sur la matière molle, " dit Gareth McKinley, la School of Engineering Professeur d'enseignement de l'innovation et professeur de génie mécanique au MIT.

"Nos résultats permettent aux chercheurs de déterminer pourquoi les gels colloïdaux faibles présentent des aspects à la fois vitreux et gélatineux, et pour éventuellement concevoir les gels pour qu'ils aient des caractéristiques particulières souhaitées dans leur réponse mécanique, " dit Bavand Keshavarz, un post-doctorant au département de génie mécanique du MIT et premier auteur de la nouvelle étude, qui apparaît dans PNAS .

La recherche a été réalisée dans le cadre d'une collaboration internationale impliquant le MIT, Laboratoire National d'Argonne, le Centre National de la Recherche Scientifique, et le Commissariat aux énergies alternatives et à l'énergie atomique.

A l'aide de gels d'aluminosilicate, largement utilisé pour la fabrication de zéolites, les chercheurs ont surmonté bon nombre des défis associés à la caractérisation de ces matériaux très mous, qui évoluent continuellement dans le temps, ainsi que présenter des propriétés différentes en fonction de la vitesse à laquelle ils sont déformés. Keshavarz compare leur comportement à celui de Silly Putty, qui s'étire et coule si vous le tirez lentement, mais se brise brusquement si vous le tirez rapidement.

Les gels vieillissent aussi rapidement, ce qui signifie que les comportements mécaniques qu'ils présentent, alors qu'il variait déjà à des taux de déformation différents, changer rapidement avec le temps. La plupart des études précédentes se sont concentrées sur l'étude de ces matériaux à l'état mature, dit Keshavarz.

"Ils n'ont pas pu avoir une image globale du gel car la fenêtre expérimentale de leurs observations était plutôt étroite, " dit Keshavarz.

Pour cette étude, les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient mettre le processus de vieillissement des gels à leur avantage grâce à un cadre connu sous le nom de "superposition de connectivité temporelle".

Ils ont soumis les alumino-silicates à une série répétée de fréquences de déformation complexes connues sous le nom de chirps pendant la gélification et les processus de vieillissement ultérieurs. Des bips, modélisé d'après les séquences de signaux d'écholocation produites par les chauves-souris et les dauphins, tester très rapidement les propriétés des matériaux souples changeants.

En appliquant à plusieurs reprises les signaux chirp tout au long de l'évolution des gels, les chercheurs ont développé une séquence de ce que l'on pourrait considérer comme des instantanés informatifs représentant les propriétés mécaniques des gels alors qu'ils étaient soumis à une large gamme de fréquences de déformation couvrant plus de huit ordres de grandeur (par exemple, de 0,0001 hertz à 10, 000 hertz).

« Cela signifie que nous avons examiné le comportement du matériau sur une très large gamme de fréquences de sondage, " dit Keshavarz, "de déformations très lentes à très rapides."

Les instantanés résultants ont fourni un profil complet des propriétés mécaniques des gels, permettant aux chercheurs de conclure que les gels colloïdaux faibles, également connu familièrement sous le nom de matières pâteuses, avoir une double nature, présentant les caractéristiques des verres et des gels. Avant cette étude, les perspectives d'observation limitées des chercheurs les ont amenés à conclure que ces matériaux étaient soit des gels, soit des verres, ne pas avoir observé les deux caractéristiques dans une seule expérience.

"Un scientifique dit que c'est un gel, et l'autre dit que c'est un verre. Ils ont tous les deux raison, " dit McKinley, comparer les caractéristiques des gels à celles des caramels, qui présentent les mêmes principes de superposition de connectivité temporelle lorsqu'ils sont chauffés et peuvent être soit mous et caoutchouteux, soit cassants et vitreux.

Pour observer l'évolution de la structure des gels d'aluminosilicate, en plus d'examiner leurs propriétés mécaniques tout au long du processus de gélification et de vieillissement, les chercheurs ont appliqué la diffusion des rayons X. Cela leur a permis de résoudre la structure du gel à partir du moment où ses composants chimiques étaient plus petits que la longueur d'onde de la lumière et donc invisibles sans la pénétration des rayons X. Le processus a permis aux chercheurs d'observer la structure physique des gels à des échelles de longueur allant de plus de quatre ordres de grandeur, zoom avant d'une échelle de 1 micron à celle de 0,1 nanomètre.

Observer les gels à des échelles spatiales aussi étendues, les chercheurs ont découvert que le réseau fractal de particules connectées qui se développe lorsque les particules se regroupent en un gel reste fixe au-delà du point de gel. Le réseau s'agrandit et ajoute des clusters, changement d'échelle, mais la structure principale ou "colonne vertébrale" et la géométrie restent les mêmes.

Examiner les matériaux à des échelles spatiales aussi étendues et combiner ces informations avec les informations concurrentes sur le comportement mécanique des matériaux, les chercheurs ont également conclu que les amas plus gros au sein du réseau se détendaient plus lentement à la manière d'un gel après avoir été déformés, tandis que les amas plus petits se détendaient plus rapidement comme un matériau vitreux rigide. McKinley fait l'analogie avec les différences marquées que nous connaissons entre le temps qu'il faut pour qu'un matelas en mousse à mémoire de forme récupère d'une compression par rapport au temps qu'il faut pour un matelas conventionnel très dur. L'observation de cette relation entre la taille des amas au sein du matériau et le taux de relaxation permet de mieux comprendre les origines des propriétés distinctives de ces matériaux mous.

« Notre travail ouvre une perspective inédite, " dit Keshavarz, "et ouvre la voie aux chercheurs pour développer une vision plus complète de la nature de ces matériaux pâteux."

« Les gels colloïdaux sont des matériaux omniprésents, " dit Emanuela Del Gado, professeur agrégé au département de physique de l'université de Georgetown, qui n'a pas participé à cette recherche mais a collaboré avec l'équipe du MIT dans le passé. "Leur physique est importante dans tant d'industries et de technologies (de l'alimentation à la peinture, cimenter, produits de soins personnels et applications biomédicales). Cet article est la première tentative d'identifier les traits microscopiques qui unifient la mécanique d'une classe potentiellement large de systèmes, en connectant la microstructure [des gels] à leur comportement rhéologique."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.