Des chercheurs du MIT ont observé que les gels colloïdaux présentent une gamme de mouvements, à partir de particules se tortillant librement à l'échelle nanométrique, à des mouvements plus contraints à plus grande échelle. Ces comportements peuvent aider les scientifiques à affiner les propriétés des gels colloïdaux tels que les yaourts et les lotions. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Le terme "gel colloïdal" n'est peut-être pas une expression courante, mais des exemples de ces matériaux sont partout dans notre vie quotidienne, du dentifrice et du gel douche à la mayonnaise et au yaourt. Les gels colloïdaux sont des mélanges de particules en suspension dans un fluide, et selon la façon dont ils sont manipulés, ces gels peuvent couler comme un liquide ou conserver leur forme comme un solide.
Maintenant, les chercheurs du MIT ont scruté la microstructure des gels colloïdaux et identifié une variété étonnamment riche de comportements dans ces spongieux, matériaux défiant les phases.
L'équipe a capturé des films de gels colloïdaux au fur et à mesure de leur formation, commençant comme des particules individuelles dans l'eau et évoluant en épais, goo uniforme. Les chercheurs ont zoomé à différentes échelles de taille pour observer toute activité dans le matériau en morphing, et découvert une gamme de comportements dépendants de l'échelle.
Les chercheurs disent que leurs découvertes, rapporté le 27 février dans le journal Lettres d'examen physique , représentent la première étude complète de la microstructure des gels colloïdaux. Le travail peut aider les scientifiques à régler les propriétés matérielles d'une variété de produits courants.
Un exemple qui me vient à l'esprit, déclare Irmgard Bischofberger, co-auteur de l'étude, s'attaque au problème du film liquide omniprésent à la surface de la plupart des yaourts. Ce liquide est soit bousculé hors de la masse du yaourt lors de son transport, ou il suinte sous l'effet de la gravité, car le yogourt repose sur une étagère pendant une période prolongée.
"Vous voulez que le yaourt résiste aux vibrations et à la gravité et évite de s'effondrer, mais vous ne voulez pas rendre tout votre matériel plus fort de manière à ce qu'il ne se sente pas tout à fait bien quand vous le mangez, " dit Bischofberger, professeur adjoint de génie mécanique au MIT. « Connaître toutes ces informations sur le comportement du matériau sur toutes les échelles de longueur vous permet de trouver des moyens d'ajuster un aspect spécifique du matériau. »
Les co-auteurs de Bischofberger sont l'étudiant diplômé du MIT Jae Hyung Cho et Roberto Cerbino de l'Université de Milan.
Un seul coup
Les scientifiques ont généralement exploré la microstructure des gels colloïdaux en utilisant des configurations laser spécialisées pour diffuser la lumière sous plusieurs angles, pour capturer des informations sur un matériau à différentes échelles de longueur. Bischofberger dit qu'il faudrait de nombreux essais expérimentaux pour capturer des images du même matériau à chaque résolution.
Le collaborateur de l'équipe MIT, Cerbin, avait déjà découvert qu'en utilisant un simple microscope optique, avec une résolution suffisamment nette pour tout résoudre, des particules individuelles d'un matériau à ses propriétés en vrac, il pouvait enregistrer des films du matériel, puis utiliser un code informatique pour analyser les images à des longueurs de pixels prescrites. Par exemple, le code pourrait être réglé pour analyser les mouvements dans plusieurs pixels, ou entre des centaines de pixels, ou sur toute l'image. De cette façon, Cerbino a pu capturer la dynamique d'un matériau sur toutes les échelles de longueur "en un seul coup, " dit Bischofberger.
Cerbino a déjà démontré cette technique, connue sous le nom de microscopie dynamique différentielle, ou DDM, en imageant des particules individuelles dans une solution simple. Pour cette nouvelle étude, l'équipe a appliqué le DDM pour explorer les gels colloïdaux, une classe de matériaux plus complexe.
« Ces matériaux ont des propriétés fascinantes, " dit Cho. "Pour comprendre ces propriétés, vous devez comprendre les structures qui s'étendent sur différentes échelles de longueur, à partir d'échelles de particules individuelles de dizaines de nanomètres, aux structures qu'ils forment, qui s'étendent sur des centaines de microns."
Lorsqu'un gel colloïdal passe d'un liquide laiteux à un liquide plus épais, consistance de yaourt, sa structure et ses mouvements changent également, d'individu, particules se tortillant librement, à des groupes de particules qui se déplacent ensemble, et enfin, à de plus grands réseaux connectés de particules qui se comportent comme un seul matériau homogène. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Nos corps, nos doux moi
Cho a d'abord conçu un gel colloïdal que le groupe pouvait facilement contrôler et étudier. Le matériau est un mélange d'eau et de particules de polystyrène, que Cho a choisi pour sa coque extérieure unique. Chaque particule est entourée d'une enveloppe thermosensible qui, à basse température, ressemble à un extérieur hérissé qui empêche une particule de s'approcher trop près des particules voisines. À des températures plus chaudes, la coque rétrécit efficacement, et la force d'attraction naturelle de la particule prend le relais, en le rapprochant d'autres particules, auquel il peut ensuite s'attacher.
Les chercheurs ont mélangé les particules à différentes concentrations avec de l'eau et ont placé chaque échantillon sur une plaque thermoélectrique, qu'ils ont placé sous un microscope optique conventionnel. Ils ont pris des images de chaque échantillon en augmentant la température de la plaque, et regardé les échantillons évoluer en un gel colloïdal, se détournant d'un liquide laiteux, à un plus épais, consistance semblable à celle du yaourt.
Après, ils ont utilisé un code informatique basé sur la transformée de Fourier, un type de technique de traitement d'image qui décompose une image en différentes fréquences et échelles spatiales, pour extraire automatiquement les données de mouvement à différentes échelles de longueur, des particules individuelles aux grandes, réseaux de particules connectés.
"Nous utilisons un seul film, composé de plusieurs images d'un échantillon, et regardez l'échantillon à travers différentes fenêtres, " dit Cho.
Ils ont trouvé que, aux plus petites échelles, les particules individuelles semblaient se déplacer librement, se tortillant et vibrant les uns autour des autres. Au fur et à mesure de l'évolution du gel, particules individuelles agglutinées, formant des brins ou des réseaux plus larges qui se sont déplacés ensemble de manière plus contrainte. A la fin de la formation du gel, plusieurs réseaux de particules se superposent à travers le matériau, formant une sorte de toile rigide qui ne bougeait que légèrement, comme une structure homogène.
Les structures qu'ils ont observées ressemblaient à un motif fractal qui se répétait automatiquement, dans lesquelles des particules individuelles se collaient les unes aux autres dans des réseaux et des structures toujours plus grands. D'autres ont observé cette structuration fractale dans des gels colloïdaux, sur une certaine plage d'échelles de longueur. C'est la première fois que des scientifiques caractérisent le comportement des gels colloïdaux à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de cette gamme fractale, simultanément, et observé des comportements différents - dans ce cas, degrés de mouvement—à différentes échelles.
« C'est cette superposition de différents modes de mouvement qui confère aux gels colloïdaux ces propriétés extrêmement riches, " Bischofberger dit. "Ils peuvent se comporter à la fois comme liquide et solide. Tout cela est une conséquence du fait qu'il y a un mouvement sur tant d'échelles de longueur différentes, et ce mouvement est différent à différentes échelles."
Les chercheurs affirment que leur nouvelle méthode peut être utilisée pour explorer la microstructure d'autres matériaux mous tels que les tissus biologiques et les cellules.
"Nos corps sont des matériaux mous comme les gels colloïdaux, » note Cho. « Si nous utilisons cette technique pour étudier les systèmes biologiques, cela pourrait aider à optimiser l'administration des médicaments, qui implique le transport de drogues à travers des réseaux similaires.
La nouvelle technique de l'équipe, qui repose sur des microscopes optiques facilement accessibles dans la plupart des laboratoires, peut être utile non seulement pour caractériser, mais aussi le réglage des propriétés des matériaux souples.
« Si je veux un matériau solide, dois-je jouer avec ce qui se passe à la plus petite ou à la plus grande échelle ?" dit Bischofberger. "Par exemple, si vous voulez quelque chose de haute résistance mais avec une texture lisse, que dois-je faire pour obtenir un tel système ? Disposer de toutes ces informations sur la microstructure vous aide à savoir par où commencer la conception."
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.
