تفاوت مکانیسم تشکیل ژل های کلوئیدی با تشکیل شیشه

23 مه 2023 -توسط دانشگاه توکیو-تجسم سه بعدی از مراحل اولیه ژل. تصاویر سه بعدی معمولی بازسازی شده از نمونه ژل با ϕc = 0.053 و cp = 2.2 میلی گرم بر گرم. در تجسم ها بر اساس طول خوشه، نقاط کوچک ذرات را در خوشه های کوچک با جرم آنها زیر 15 نشان می دهد. برای هر خوشه، طول خوشه به عنوان شعاع چرخش آن محاسبه می شود. P کسری از ترتیب متقارن در همه ذرات است . در t = 0 ثانیه، کلوئیدها جداسازی فاز را آغاز می کنند. در t = 180 ثانیه، اولین دو هرم پنج ضلعی تشکیل می شود. در t = 420 ثانیه، کسری از چهار وجهی 50% را فرا می گیرد. مرحله آخر در شکل زیر نشان داده شده است. اعتبار: فیزیک طبیعت (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02063-x

خواص نرم و جامد مانند ژل‌های کلوئیدی در زمینه‌هایی مانند کاربردهای غذایی و پزشکی ضروری است، اما اینکه چگونه این خواص خود را نشان می‌دهند یک معمای دیرینه است. تا کنون اعتقاد بر این بود که ماهیت جامد ژل ها از طریق تشکیل شیشه پدیدار می شود.

در مطالعه‌ای که اخیراً در Nature Physics منتشر شده است، محققان مؤسسه علوم صنعتی دانشگاه توکیو از یک تکنیک میکروسکوپی جدید – میکروسکوپ کانفوکال درجا – برای آشکار کردن تفاوت‌ها در شکل‌گیری ژل و شیشه استفاده کرده‌اند.

مایع کلوئیدی مخلوطی است متشکل از ذرات کوچکی که در یک ماده مایع دیگر پراکنده شده اند. شیر یک نمونه است. درک اینکه چگونه مایعات کلوئیدی می توانند به ژل در هنگام جداسازی فاز تبدیل شوند – از طریق یک حالت به اصطلاح متوقف شده دینامیکی – برای بهینه سازی طراحی غذاها، لوازم آرایشی و مواد زیست پزشکی مهم است. با این حال، توضیحی در سطح تک ذره از حالت متوقف شده پویا مبهم باقی مانده است.

تلاش‌ها در این راستا اخیراً بر روی اصلی به نام نظم آمورف موضعی متمرکز شده‌اند که به ترتیب آرایش اجزای تشکیل‌دهنده مایعات کلوئیدی مربوط می‌شود. با این وجود، هیچ وسیله آزمایشی برای تجسم چنین ترتیبی، در سطح تک ذره، در مرحله اولیه ژل شدن کلوئیدی وجود نداشته است. ارائه بینش فیزیکی اساسی در مورد منشاء نظم بی شکل – و در نتیجه حالت متوقف شده پویا – ژل های کلوئیدی مشکلی است که محققان به دنبال آن بودند.

هیدیو تسوروساوا، نویسنده اصلی این مطالعه توضیح می دهد: «شکل دو هرمی پنج ضلعی دارای تقارنی است که با کریستالیزاسیون ناسازگار است و ممکن است به جلوگیری از انتقال ژل به کریستال توسط ذرات کلوئیدی کمک کند. ما یک روش میکروسکوپ کانفوکال درجا را برای آزمایش این فرضیه در زمان واقعی و فضای واقعی ایجاد کردیم.

محققان نتایج مربوط به ژل‌های کلوئیدی رقیق متشکل از ذرات کروی “چسبنده” را گزارش می‌کنند که فعل و انفعالات کوتاه برد، بدون جهت و جذابی را نشان می‌دهند. آنها نشان دادند که آرایش ذرات محلی مختلف به طور منحصر به فردی خواص ژل را تعدیل می کند. به طور خاص، چهار وجهی حرکت ذرات موضعی را متوقف می کند، 3 چهار وجهی مانع تبلور می شود، و خوشه های دو هرمی پنج ضلعی استحکام را ایجاد می کنند. محققان پیشنهاد می کنند که به حداقل رساندن انرژی پتانسیل محلی برای تشکیل یک حالت ژل مرکزی است، در حالی که به حداقل رساندن انرژی آزاد (آنتروپی) برای تشکیل یک حالت شیشه ای مرکزی است.

هاجیمه تاناکا، نویسنده ارشد، می‌گوید: «ویژگی منحصربه‌فردی که تشکیل یک ژل رقیق را مشخص می‌کند، ترتیب سلسله مراتبی متوالی از چهار وجهی به دو هرم پنج‌ضلعی و به خوشه‌های آنها است. “این در شکل گیری شیشه وجود ندارد.”

این کار یک مکانیسم جدید مبتنی بر ترتیب آمورف متوالی برای توقف دینامیکی ژل‌های کلوئیدی، بر خلاف توضیح قبلی مبتنی بر شیشه، از طریق دسترسی مستقیم به فرآیند تشکیل ژل در سطح تک ذره پیشنهاد کرد. این کار دارای مفاهیم عملی در کمک به بهینه سازی مواد ژل کلوئیدی با خواص مکانیکی مطلوب است. به عنوان مثال، در برنامه های غذایی و پزشکی.