麻省理工學院的研究人員開發了一種新的方法來確定一類廣泛使用的軟性材料的結構和行為，這類材料被稱為弱膠體凝膠，其被用於化妝品、建築材料等物質中。這項研究描述了凝膠的整個演變過程，因為它們從礦物溶液變為彈性凝膠，然後變為玻璃狀固體。
這項工作揭示了凝膠如何隨時間自然變化的微觀結構機制，以及它們的彈性特性如何隨着時間和它們的實驗變形速度而變化。這一特徵應該允許進一步研究、預測，也許還可以操縱這些凝膠的行為，為藥物輸送和食品生產等領域的進展打開大門，這些凝膠是這些領域的常見成分，也為從水凈化到核廢料處理的應用打開大門，這些應用使用這些膠體凝膠的結晶、多孔形式，稱為沸石。
“我們相信這種對凝膠化和隨後的老化過程的新的整體情況和理解對於從事軟物質研究的材料科學家來說非常重要，”麻省理工學院工程學院教學創新教授和機械工程教授Gareth McKinley說。
麻省理工學院機械工程系的博士后、這項新研究的第一作者Bavand Keshavarz說：“我們的結果使研究人員能夠確定為什麼弱膠體凝膠同時顯示出玻璃狀和凝膠狀行為的各個方面，並可能將凝膠設計成在其機械反應中具有特定的預期特徵。”
這項研究是作為麻省理工學院、阿貢國家實驗室、法國國家科學研究中心以及法國替代能源和原子能委員會參與的國際合作的一部分進行的。
使用廣泛用於製造沸石的硅酸鋁凝膠，研究人員克服了與表徵這些非常柔軟的材料有關的許多挑戰，這些材料隨着時間的推移不斷變化，並根據其變形的速度表現出不同的特性。Keshavarz將它們的行為比作橡皮泥，如果慢慢地拉它，它就會伸展，但是如果快速地拉它，它就會急劇地斷裂。
凝膠的老化速度也很快，這意味着它們所表現出的機械行為，雖然在不同的變形率下已經有了變化，但隨着時間的推移會迅速改變。Keshavarz說，以前的大多數研究都集中在研究這些材料的成熟狀態上。Keshavarz說：“他們無法獲得凝膠的整體情況，因為他們觀察的實驗窗口相當短暫。”
在這項研究中，研究人員意識到他們可以通過一個被稱為 “時間關聯性疊加 “的框架將凝膠的老化過程用於他們的優勢。
在凝膠化和隨後的老化過程中，他們將鋁硅酸鹽置於一系列重複的複雜變形頻率中-Chirps。Chirps是以蝙蝠和海豚產生的回聲定位信號序列為模型，非常迅速地測試變化中的軟材料的特性。
通過在凝膠的整個演變過程中反覆應用Chirps信號，研究人員開發了一連串可以被認為是代表凝膠機械性能的信息快照，因為它們受到了跨越八個數量級的廣泛變形頻率的影響（例如，從0.0001赫茲到10,000赫茲）。
“這意味着我們已經在非常廣泛的探測頻率範圍內觀察了材料的行為，”Keshavarz說，”從非常慢的變形到非常快的變形。”
由此產生的快照提供了凝膠機械性能的全面概況，使研究人員能夠得出結論，弱膠體凝膠具有雙重性質，同時表現出玻璃和凝膠的特徵。在這項研究之前，研究人員有限的觀察視角使他們得出結論，這種材料要麼是凝膠，要麼是玻璃，沒有在一個實驗中觀察到兩種特徵。
“一位科學家說這是一種凝膠，另一位說這是一種玻璃。他們都是對的，”McKinley說，他將凝膠的特性與焦糖的特性相比較，焦糖在加熱時表現出相同的時間連接性疊加原理，可以是軟而有嚼頭的，也可以是脆而玻璃的。
為了觀察硅酸鋁凝膠不斷變化的結構，除了在整個凝膠化和老化過程中檢查其機械性能外，研究人員還應用了X射線散射法。這使他們能夠解決凝膠的結構，從其化學成分小於光的波長，因此在沒有X射線穿透的情況下看不見的時候開始。這個過程使研究人員能夠在四個數量級的長度尺度上觀察凝膠的物理結構，從1微米的尺度放大到0.1納米。
在如此廣泛的空間尺度上觀察凝膠，研究人員發現，當顆粒聚集成凝膠時，所形成的類似分形的連接顆粒網絡在凝膠點之外保持固定。該網絡不斷增長，增加集群，規模不斷變化，但主要結構或 “骨幹 “和幾何形狀保持不變。
在如此廣泛的空間尺度上檢查材料，並將這些信息與有關材料機械行為的併發信息相結合，研究人員還得出結論，網絡中較大的團塊在被變形后以類似凝膠的方式更緩慢地放鬆，而較小的團塊則像剛性的玻璃質材料一樣更迅速地放鬆。McKinley將其比喻為我們所經歷的記憶海綿床墊與非常堅硬的傳統床墊之間的明顯差異，即從被壓縮到恢復所需的時間。觀察材料內團塊的大小與鬆弛速度之間的這種關係，進一步揭示了這些軟性材料的獨特特性的來源。
“我們的工作開闢了一個新的視角，”Keshavarz說，“並為研究人員開發一個關於這些糊狀材料性質的更全面的觀點鋪平了道路。”
喬治敦大學物理系副教授Emanuela Del Gado說：”膠體凝膠是無處不在的材料，”他沒有參與這項研究，但過去曾與麻省理工學院團隊合作過。“它們的物理學在許多行業和技術中都很重要（從食品到油漆，到水泥，個人護理產品和生物醫學應用）。這篇論文是首次嘗試通過將（凝膠）的微觀結構與它們的流變行為聯繫起來，來確定統一一類潛在的廣泛系統的力學特徵。”