Combinazione di microfluidica e Microrheology per determinare le proprietà reologiche dei materiali molli durante le transizioni di fase ripetute

Transizioni di fase in materia soffice possono modificare la struttura dell’impalcatura, che ha implicazioni nella stabilità finale ed elaborazione del materiale^1,2,3. La caratterizzazione dei materiali molli durante le transizioni di fase dinamica fornisce informazioni essenziali circa il rapporto tra evoluzione strutturale e struttura di equilibrio e proprietà reologiche. Ad esempio, molti prodotti home care richiedono un cambiamento di fase durante l’uso dei consumatori. Inoltre, durante la produzione, fasi di lavorazione, tra cui la diluizione e miscelazione, può impartire shear che interessano le proprietà reologiche e microstruttura finale del prodotto. Comprendere le proprietà reologiche durante un cambiamento di fase assicura che il prodotto funzioni come progettato. Inoltre, se le forze alterano la partenza reologia del materiale durante la produzione, transizioni di fase possono produrre risultati inattesi e indesiderati, cambiando la destinazione d’uso prevista e l’efficacia. Al punto critico di gelificazione, definito come il punto dove il materiale transizioni da una soluzione di polimeri o di colloidi associati a una rete di gel campione-spanning, proprietà del materiale cambiano drasticamente con lievi modifiche all’associazione. Qualsiasi modifica alla struttura al punto critico gel può influire il prodotto finale⁴. Durante queste transizioni dinamiche, materiali morbidi hanno deboli proprietà meccaniche e misure che utilizzano tecniche sperimentali classiche possono essere all’interno la misura rumore limite^5,6,7. Per tenere conto di questo, tecniche quali microrheology, che è sensibile nella gamma moduli basso (10^-3 – 4 Pa), sono utilizzati per caratterizzare il gel incipiente debole durante l’evoluzione dinamica. Alcuni materiali sono sensibili ai cambiamenti nella microstruttura a causa di forze esterne, che presenta una sfida durante la caratterizzazione, come trasferimenti di materiale o di fluido possono influenzare la struttura e, in definitiva, la proprietà del materiale finale. Per evitare di alterare la microstruttura del materiale, abbiamo sviluppato un dispositivo microfluidico che possa scambiarsi il fluido ambientale intorno ad un campionamento riducendo al taglio. Scambiando l’ambiente fluido, cambiamenti nella microstruttura e proprietà reologiche sono misurati durante le transizioni di fase con il minimo contributo di taglio. Il dispositivo è combinato con più particelle microrheology (MPT) di rilevamento in una tecnica chiamata µ²reologia. Questa tecnica viene utilizzata per quantificare le proprietà del materiale cambiamenti di fase consecutivi di un gel in risposta a una forza esterna. Viene illustrata la tecnica utilizzando un fibroso gel colloidale, olio di ricino idrogenato (HCO)^9,10,11.

Impalcature di gel possono subire modifiche in associazione e dissociazione a causa del loro campione ambiente^12,13,14,15. La forza trainante di gelificazione e di degradazione sono materiali specifici e devono essere adattati per ogni materiale di interesse. reologia²µ può essere utilizzata per caratterizzare sistemi di gel che rispondono agli stimoli esterni, comprese le reti colloidale e polimeriche. Alterare il pH, pressione osmotica o concentrazione salina sono esempi di scacciare le forze che possono indurre cambiamenti nella microstruttura del materiale. Ad esempio, HCO subisce le transizioni di fase controllata mediante la creazione di un gradiente di pressione osmotica. Quando un campione di gel concentrato HCO (4 wt % HCO) è immerso in acqua, indeboliscono le forze attraenti fra particelle colloidali, degrado. In alternativa, quando una soluzione diluita di HCO (0,125 wt % HCO) è a contatto con un materiale idrofilo (indicato come agente gelificante e composto per lo più glicerina e tensioattivo), l’attraente forze ritorno, causando la gelificazione. Questo sistema gel serviranno per mostrare il funzionamento del dispositivo come uno strumento per la misurazione di transizioni di fase consecutivi su un singolo campione^9,10. Per caratterizzare queste impalcature di gel durante transizioni dinamiche e la struttura di gel delicato incipiente alla transizione di fase critica, usiamo MPT per caratterizzare questi materiali con alta risoluzione spazio-temporale.

Microrheology viene utilizzato per determinare le proprietà del gel e la struttura, soprattutto alla transizione critica, di una matrice di materiali morbidi, tra cui gel colloidale e polimerici^5,6,9,16. MPT è una tecnica di microrheological passiva che utilizza video microscopia per registrare il moto browniano delle particelle di sonda fluorescente incorporato all’interno di un campione. Le posizioni delle particelle in tutto i video sono precisamente determinate all’interno di 1/10^th di un pixel usando algoritmi^17,18di rilevamento classica. L’ensemble ha stato in media cilindrata media-squared (MSD, (Δr²(t))) viene calcolato da queste traiettorie delle particelle. il MSD è relativo alle proprietà del materiale, quali la conformità di creep, utilizzando la relazione di Stokes-Einstein generalizzato^{17,19,20,21,22, 23}. Lo stato del materiale è determinato calcolando la pendenza della curva in MSD logaritmica in funzione del tempo di ritardo, α,

dove t è il tempo di ritardo e confrontandolo con l’esponente critico relax, n. n viene determinato utilizzando la sovrapposizione tempo-cura, una tecnica ben documentata che è stata modificata per analizzare i dati MPT di Larsen e Furst⁶. Tramite il confronto di n per α lo stato del materiale è determinato quantitativamente. Quando α > n il materiale è un sol e quando α < n il materiale è un gel. Il lavoro precedente ha caratterizzato il sistema HCO usando microrheology per determinare l’ esponente critico relax⁹. Utilizzando queste informazioni, determinare con precisione quando il materiale passa da un gel a un sol durante un esperimento. Inoltre, il parametro di non-gaussiano, α_NG, può essere calcolato a determinare il grado di eterogeneità strutturale di un sistema,

dove Δx(t) è il movimento delle particelle unidimensionale nella direzione x . Utilizzando MPT, noi possiamo caratterizzare una transizione di fase singola, ma di caratterizzazione di materiali con MPT in un dispositivo di microfluidica, siamo in grado di manipolare l’ambiente circostante fluido e raccogliere dati di diverse transizioni di fase su un campione di gel unico.

Questo dispositivo microfluidico è destinato per studiare le transizioni critiche di un campione unico gel che subisce cambiamenti di fase in risposta ai cambiamenti nell’ambiente fluido circostante. Il dispositivo scambia liquido che circonda il campione quando sia allo stato di gel o sol è bloccando il campione in grado di indurre una transizione di fase, riducendo al minimo taglio. Un bacino di solvente si trova direttamente di sopra del pozzetto, che sono collegate da sei canali di adduzione simmetricamente distanziati. Questa simmetria consente lo scambio di liquido dal bacino del solvente per la camera del campione durante la creazione di uguale pressione intorno al campione, bloccandola. Ci sono stati diversi studi che utilizzano questa tecnica per singola particella e intrappolamento del DNA, ma questo lavoro di scale il volume da singole molecole a campioni che sono circa 10 µ l^24,25,26. Questo design unico consente inoltre la caratterizzazione di microrheological in tempo reale durante le transizioni di fase.

reologia²µ è una tecnica robusta che è applicabile a molti sistemi di materia soffice. La tecnica descritta in questo documento è stata progettata per gel colloidale, ma può essere facilmente adattato ad altri materiali come polimero o soluzioni micellari. Con questa tecnica, determiniamo non solo come transizioni di fase influenzano le proprietà del materiale di equilibrio, ma anche come diverse fasi possono avere effetti sull’evoluzione reologica del materiale e la struttura finale dell’impalcatura duraturi e Proprietà.