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2021-04-28Los “geles coloidales”, omnipresentes en los productos cotidianos, divulgan sus secretos

MIT |El estudio explora las propiedades mecánicas de estos materiales a medida que evolucionan de geles elásticos a sólidos vítreos.

Investigadores del MIT han desarrollado un nuevo método para determinar la estructura y el comportamiento de una clase de materiales blandos muy utilizados, conocidos como geles coloidales débiles, que se encuentran en todo tipo de productos, desde cosméticos hasta materiales de construcción. El estudio caracteriza los geles a lo largo de toda su evolución, ya que pasan de ser soluciones minerales a geles elásticos y luego a sólidos vítreos.

El trabajo descubre los mecanismos microestructurales que subyacen a la forma en que los geles cambian naturalmente con el tiempo, y cómo sus propiedades elásticas también cambian, tanto con el tiempo como en función de la velocidad a la que se deforman experimentalmente. Esta caracterización debería permitir un mayor estudio, predicción y quizás manipulación del comportamiento de los geles, abriendo las puertas a avances en áreas como la administración de fármacos y la producción de alimentos, en las que estos geles son ingredientes comunes, así como en aplicaciones que van desde la purificación del agua hasta la eliminación de residuos nucleares, que utilizan estos geles coloidales en una forma cristalizada y porosa conocida como zeolitas.

"Creemos que esta nueva imagen global y la comprensión del proceso de gelificación y posterior envejecimiento es de gran importancia para los científicos de materiales que trabajan en la materia blanda", afirma Gareth McKinley, profesor de innovación docente de la Escuela de Ingeniería y profesor de ingeniería mecánica del MIT.

"Nuestros resultados permiten a los investigadores determinar por qué los geles coloidales débiles muestran aspectos de comportamiento tanto vítreo como gelatinoso, y posiblemente diseñar los geles para que tengan características particulares deseadas en su respuesta mecánica", dice Bavand Keshavarz, postdoc en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y primer autor del nuevo estudio, que aparece en PNAS.

La investigación se realizó en el marco de una colaboración internacional en la que participaron el MIT, el Laboratorio Nacional de Argonne, el Centro Nacional de Investigación Científica de Francia y la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica de Francia.

Utilizando geles de aluminosilicato, ampliamente utilizados para la fabricación de zeolitas, los investigadores superaron muchos de los retos asociados a la caracterización de estos materiales tan blandos, que cambian continuamente con el tiempo, además de mostrar diferentes propiedades dependiendo de la velocidad a la que se deforman. Keshavarz compara su comportamiento con el del Silly Putty, que se estira y fluye si se tira de él lentamente, pero se rompe bruscamente si se le da un tirón rápido.

Los geles también envejecen con rapidez, lo que significa que los comportamientos mecánicos que presentan, aunque ya son variados a distintas velocidades de deformación, cambian rápidamente con el tiempo. La mayoría de los estudios anteriores se centraron en el estudio de estos materiales en su estado maduro, afirma Keshavarz.

"No podían obtener una imagen global del gel porque la ventana experimental de sus observaciones era bastante estrecha", dice Keshavarz.

Para este estudio, los investigadores se dieron cuenta de que podían aprovechar el proceso de envejecimiento de los geles mediante un marco conocido como "superposición de conectividad temporal".

Sometieron los aluminosilicatos a una serie repetida de frecuencias de deformación complejas conocidas como chirps durante los procesos de gelificación y posterior envejecimiento. Los chirps, modelados a partir de las secuencias de señales de ecolocalización producidas por los murciélagos y los delfines, ponen a prueba muy rápidamente las propiedades de los materiales blandos que cambian.

Al aplicar repetidamente las señales de chirp a lo largo de la evolución de los geles, los investigadores desarrollaron una secuencia de lo que podría considerarse como instantáneas informativas que representaban las propiedades mecánicas de los geles a medida que se sometían a una amplia gama de frecuencias de deformación que abarcaban más de ocho órdenes de magnitud (por ejemplo, de 0,0001 hercios a 10.000 hercios).

"Esto significa que hemos observado el comportamiento del material en una gama muy amplia de frecuencias de sondeo", dice Keshavarz, "desde deformaciones muy lentas hasta otras muy rápidas".

Las instantáneas resultantes proporcionaron un perfil completo de las propiedades mecánicas de los geles, lo que permitió a los investigadores concluir que los geles coloidales débiles, también conocidos coloquialmente como materiales pastosos, tienen una naturaleza dual, pues presentan características tanto de vidrios como de geles. Antes de este estudio, las limitadas perspectivas de observación de los investigadores les llevaban a concluir que tales materiales eran o bien geles o bien vidrios, al no haber observado ambas características en un solo experimento.

"Un científico dice que es un gel y el otro que es un vidrio. Ambos tienen razón", dice McKinley, comparando las características de los geles con las de los caramelos, que presentan los mismos principios de superposición de conectividad temporal cuando se calientan y pueden ser blandos y masticables o quebradizos y vidriosos.

Para observar la evolución de la estructura de los geles de aluminosilicato, además de examinar sus propiedades mecánicas a lo largo del proceso de gelificación y envejecimiento, los investigadores aplicaron la dispersión de rayos X. Esto les permitió resolver la estructura del gel a partir de cuando sus componentes químicos eran más pequeños que la longitud de onda de la luz y, por tanto, invisibles sin la penetración de los rayos X. El proceso permitió a los investigadores observar la estructura física de los geles en escalas de longitud que superan los cuatro órdenes de magnitud, acercándose desde una escala de 1 micra hasta la de 0,1 nanómetros.

Al observar los geles a escalas espaciales tan amplias, los investigadores descubrieron que la red de partículas conectadas, de tipo fractal, que se desarrolla cuando las partículas se agrupan en un gel, permanece fija más allá del punto de gel. La red crece y añade agrupaciones, cambiando de escala, pero la estructura principal o "columna vertebral" y la geometría siguen siendo las mismas.

Al examinar los materiales en escalas espaciales tan amplias y combinar esta información con la del comportamiento mecánico de los materiales, los investigadores también llegaron a la conclusión de que los conglomerados más grandes de la red se relajaban más lentamente en forma de gel después de ser deformados, mientras que los conglomerados más pequeños se relajaban más rápidamente como un material vidrioso rígido. McKinley hace la analogía con las marcadas diferencias que experimentamos entre el tiempo que tarda un colchón de espuma con memoria en recuperarse tras ser comprimido y el tiempo que tarda un colchón convencional muy duro. La observación de esta relación entre el tamaño de las agrupaciones dentro del material y la velocidad de relajación arroja más luz sobre el origen de las propiedades distintivas de estos materiales blandos.

"Nuestro trabajo abre una perspectiva novedosa", dice Keshavarz, "y allana el camino para que los investigadores desarrollen una visión más completa sobre la naturaleza de estos materiales pastosos".

"Los geles coloidales son materiales omnipresentes", dice Emanuela Del Gado, profesora asociada del Departamento de Física de la Universidad de Georgetown, que no ha participado en esta investigación pero ha colaborado con el equipo del MIT en el pasado. "Su física es importante en muchas industrias y tecnologías (desde la alimentación hasta la pintura, pasando por el cemento, los productos de cuidado personal y las aplicaciones biomédicas). Este trabajo es el primer intento de identificar los rasgos microscópicos que unifican la mecánica de una clase de sistemas potencialmente amplia, conectando la microestructura [de los geles] con su comportamiento reológico."

MIT
Autor
MIT

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