MIT科学家使用新方法来确定常见的 "胶体凝胶 "的结构和行为

麻省理工学院的研究人员开发了一种新的方法来确定一类广泛使用的软性材料的结构和行为，这类材料被称为弱胶体凝胶，其被用于化妆品、建筑材料等物质中。这项研究描述了凝胶的整个演变过程，因为它们从矿物溶液变为弹性凝胶，然后变为玻璃状固体。

这项工作揭示了凝胶如何随时间自然变化的微观结构机制，以及它们的弹性特性如何随着时间和它们的实验变形速度而变化。这一特征应该允许进一步研究、预测，也许还可以操纵这些凝胶的行为，为药物输送和食品生产等领域的进展打开大门，这些凝胶是这些领域的常见成分，也为从水净化到核废料处理的应用打开大门，这些应用使用这些胶体凝胶的结晶、多孔形式，称为沸石。

“我们相信这种对凝胶化和随后的老化过程的新的整体情况和理解对于从事软物质研究的材料科学家来说非常重要，”麻省理工学院工程学院教学创新教授和机械工程教授Gareth McKinley说。

麻省理工学院机械工程系的博士后、这项新研究的第一作者Bavand Keshavarz说：“我们的结果使研究人员能够确定为什么弱胶体凝胶同时显示出玻璃状和凝胶状行为的各个方面，并可能将凝胶设计成在其机械反应中具有特定的预期特征。”

这项研究是作为麻省理工学院、阿贡国家实验室、法国国家科学研究中心以及法国替代能源和原子能委员会参与的国际合作的一部分进行的。

使用广泛用于制造沸石的硅酸铝凝胶，研究人员克服了与表征这些非常柔软的材料有关的许多挑战，这些材料随着时间的推移不断变化，并根据其变形的速度表现出不同的特性。Keshavarz将它们的行为比作橡皮泥，如果慢慢地拉它，它就会伸展，但是如果快速地拉它，它就会急剧地断裂。

凝胶的老化速度也很快，这意味着它们所表现出的机械行为，虽然在不同的变形率下已经有了变化，但随着时间的推移会迅速改变。Keshavarz说，以前的大多数研究都集中在研究这些材料的成熟状态上。Keshavarz说：“他们无法获得凝胶的整体情况，因为他们观察的实验窗口相当短暂。”

在这项研究中，研究人员意识到他们可以通过一个被称为 "时间关联性叠加 "的框架将凝胶的老化过程用于他们的优势。

在凝胶化和随后的老化过程中，他们将铝硅酸盐置于一系列重复的复杂变形频率中-Chirps。Chirps是以蝙蝠和海豚产生的回声定位信号序列为模型，非常迅速地测试变化中的软材料的特性。

通过在凝胶的整个演变过程中反复应用Chirps信号，研究人员开发了一连串可以被认为是代表凝胶机械性能的信息快照，因为它们受到了跨越八个数量级的广泛变形频率的影响（例如，从0.0001赫兹到10,000赫兹）。

"这意味着我们已经在非常广泛的探测频率范围内观察了材料的行为，"Keshavarz说，"从非常慢的变形到非常快的变形。"

由此产生的快照提供了凝胶机械性能的全面概况，使研究人员能够得出结论，弱胶体凝胶具有双重性质，同时表现出玻璃和凝胶的特征。在这项研究之前，研究人员有限的观察视角使他们得出结论，这种材料要么是凝胶，要么是玻璃，没有在一个实验中观察到两种特征。

“一位科学家说这是一种凝胶，另一位说这是一种玻璃。他们都是对的，”McKinley说，他将凝胶的特性与焦糖的特性相比较，焦糖在加热时表现出相同的时间连接性叠加原理，可以是软而有嚼头的，也可以是脆而玻璃的。

为了观察硅酸铝凝胶不断变化的结构，除了在整个凝胶化和老化过程中检查其机械性能外，研究人员还应用了X射线散射法。这使他们能够解决凝胶的结构，从其化学成分小于光的波长，因此在没有X射线穿透的情况下看不见的时候开始。这个过程使研究人员能够在四个数量级的长度尺度上观察凝胶的物理结构，从1微米的尺度放大到0.1纳米。

在如此广泛的空间尺度上观察凝胶，研究人员发现，当颗粒聚集成凝胶时，所形成的类似分形的连接颗粒网络在凝胶点之外保持固定。该网络不断增长，增加集群，规模不断变化，但主要结构或 "骨干 "和几何形状保持不变。

在如此广泛的空间尺度上检查材料，并将这些信息与有关材料机械行为的并发信息相结合，研究人员还得出结论，网络中较大的团块在被变形后以类似凝胶的方式更缓慢地放松，而较小的团块则像刚性的玻璃质材料一样更迅速地放松。McKinley将其比喻为我们所经历的记忆海绵床垫与非常坚硬的传统床垫之间的明显差异，即从被压缩到恢复所需的时间。观察材料内团块的大小与松弛速度之间的这种关系，进一步揭示了这些软性材料的独特特性的来源。

“我们的工作开辟了一个新的视角，”Keshavarz说，“并为研究人员开发一个关于这些糊状材料性质的更全面的观点铺平了道路。"

乔治敦大学物理系副教授Emanuela Del Gado说："胶体凝胶是无处不在的材料，"他没有参与这项研究，但过去曾与麻省理工学院团队合作过。“它们的物理学在许多行业和技术中都很重要（从食品到油漆，到水泥，个人护理产品和生物医学应用）。这篇论文是首次尝试通过将（凝胶）的微观结构与它们的流变行为联系起来，来确定统一一类潜在的广泛系统的力学特征。”