¿Por qué los geles son elásticos?
Una nueva investigación muestra cómo las partículas agrupadas determinan la elasticidad de algunos geles.
Están en una gama de productos para el consumidor, desde pasta de dientes y yogurt hasta suavizantes y plantillas para zapatos, pero ¿qué pone la elasticidad en los geles? Una nueva investigación ha encontrado la respuesta.
Desde la pasta de dientes que aprietas en tu cepillo a primera hora de la mañana hasta el yogur que sorbes hasta el suavizante de telas que mantiene tu pijama cómodo y suave, los geles son omnipresentes en los productos de consumo, alimentos y también en aplicaciones industriales.
Sin embargo, hasta ahora, los científicos no han podido explicar las estructuras microscópicas dentro de los geles que imparten su elasticidad ni cómo se forman esas estructuras. Un equipo de científicos de la Universidad de Delaware, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Michigan descubrieron que la elasticidad de los geles surge del empaquetamiento de grupos de partículas en los geles, que el grupo denominó grupos localmente vítreos.
Esta investigación, descrita en un artículo publicado en la revista Nature Communications, podría ayudar a las personas a diseñar mejores materiales y productos a microescala. Esta información podría ayudar a las empresas en los sectores de productos de consumo, biotecnología y agricultura y más allá.
Muchas compañías formulan y venden productos de gel y, a veces, la rigidez de los geles cambia como resultado de la inestabilidad. Eric Furst, profesor y director del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la UD y uno de los autores correspondientes del artículo, guarda una vieja botella de suavizante de telas en un estante en su oficina y la usa para demostrar lo que sucede cuando los geles se separan o "colapsan". Se supone que el producto es fácil de verter, pero cuando se descompone, se vuelve flojo y poco atractivo.
"Nuestros resultados proporcionan información sobre cómo diseñar la distribución del tamaño del clúster para controlar la rigidez, el flujo y la estabilidad de los materiales de gel", dijo Furst.
Investigando geles
Los geles son materiales semisólidos que fluyen como líquidos pero también contienen partículas sólidas. Cuando los científicos examinan estas sustancias bajo un microscopio, ven que las partículas sólidas dentro de los geles forman una red, como la estructura de un edificio. Para hacer que la sustancia fluya de modo que pueda exprimirla o esparcirla, necesita romper esa estructura. Cuando esto requiere mucha fuerza, la sustancia es rígida y tiene un módulo elástico alto. Cuando se requiere menos fuerza, la sustancia fluye fácilmente y tiene un módulo elástico inferior.
El grupo de investigación dirigido por Furst estudió un gel hecho de partículas de látex de poli (metilmetacrilato) (PMMA), comúnmente conocido como acrílico, dispersado en una mezcla de dos líquidos incoloros, ciclohexano y bromuro de ciclohexilo. Encontraron que este gel estaba compuesto de grupos de partículas vítreas conectadas entre sí con áreas débiles en el medio. Para comprender cómo estos grupos contribuyeron a las propiedades del gel, el equipo quiso determinar los límites en los que cada grupo comenzó y terminó.
"Esto es como Facebook", dijo Furst. "Estábamos tratando de averiguar quién está conectado localmente con quién?"
El colaborador James W. Swan, profesor asistente de ingeniería química en el MIT, realizó simulaciones para explorar la física detrás de los grupos. Luego aplicó la teoría de los gráficos, el estudio matemático de los gráficos, a los datos de simulación para averiguar qué agrupamientos se conectaron entre sí, identificar los bordes de cada grupo y codificar por colores los agrupamientos. Era como definir los límites de los grupos de amigos entremezclados.
A continuación, los investigadores compararon los resultados de la simulación con los estudios físicos de los geles y confirmaron que las conexiones y distribuciones coincidían con sus predicciones. Determinaron que la forma en que se agrupan estos grupos localmente vítreos determina el módulo de elasticidad del material. Los grupos interconectados actúan como unidades rígidas que soportan carga dentro del gel. @mundiario
