Kombinera mikrofluidik och Microrheology att bestämma reologiska egenskaper av mjuk materia under upprepade fasövergångar

Fasövergångar i mjuka material kan ändra byggnadsställning struktur, som har konsekvenser för behandling och slutliga stabiliteten i den materiella^1,2,3. Karakterisering av mjuka material under dynamiska fasövergångar ger viktig information om förhållandet mellan strukturella evolution och jämvikt struktur och reologiska egenskaper. Exempelvis kräver många hemvårdsprodukter en fasövergång under konsumentanvändning. Också, under tillverkning, bearbetning, inklusive utspädning och blandning, kan ge skjuvning som påverkar reologiska egenskaper och slutliga mikrostrukturen av produkten. Förstå de reologiska egenskaperna i hela en fasövergång ser till att produkten fungerar som avsett. Dessutom om krafter ändra start reologi av materialet under tillverkning, kan fasövergångar ge oväntade och oönskade resultat, ändra avsedda funktion och effektivitet. Vid kritiska gelation punkt, definierad som den punkt där materialet övergångar från en lösning av associerade kolloider eller polymerer till ett prov-spänner gel nätverk, materialegenskaper förändras drastiskt med små förändringar till föreningen. Alla ändringar av strukturen på den kritiska gel punkten kan påverka slutprodukten⁴. Under dessa dynamiska övergångar, mjuka material har svag mekaniska egenskaper och mätningar som använder klassiskt experimentella tekniker kan vara inom mätning buller gräns^5,6,7. Att redovisa detta, tekniker såsom microrheology, som är känslig i intervallet låg moduli (10^-3 – 4 Pa), används för att karakterisera den svaga begynnande gel under dynamisk utveckling. Vissa material är känsliga för förändringar i mikrostrukturen på grund av yttre krafter, som presenterar en utmaning under karakterisering, eftersom överföring av material eller vätska kan påverka strukturen, och i slutändan de slutliga materialegenskaperna. För att undvika att ändra mikrostrukturen i material, har vi utvecklat en mikroflödessystem enhet som kan byta miljö vätskan runt ett prov samtidigt som de minimerar skjuvning. Genom att utbyta den flytande miljön, mäts valutakursförändringar reologiska egenskaper och mikrostruktur under fasövergångar med minimal bidrag från skjuvning. Enheten är kombinerad med flera partikel spårning microrheology (MPT) i en teknik som kallas µ²reologi. Denna teknik används till att kvantifiera materialegenskaper under i följd av en gel som svar på en yttre drivkraft. Tekniken kommer att illustreras med en fibrös kolloidal gel, hydrerad ricinolja (HCO)^9,10,11.

Gel ställningar kan genomgå förändringar i föreningen och dissociation på grund av deras prov miljö^12,13,14,15. Drivkraften för gelation och nedbrytning är materialet särskilda och måste skräddarsys för varje material av intresse. µ²reologi kan användas för att karaktärisera gel system som svarar på yttre stimuli, inklusive kolloidalt och polymera nätverk. Förändra pH, osmotiska trycket eller salt koncentration är exempel på drivkrafter som kan framkalla förändringar i materiella mikrostrukturen. Till exempel genomgår HCO kontrollerad fasövergångar genom att skapa en osmotiska trycket lutning. När en koncentrerad HCO gel prov (4 wt % HCO) är nedsänkt i vatten, försvaga de attraktiva krafterna mellan kolloidala partiklar orsakar försämring. Alternativt, när en utspädd lösning av HCO (0,125 wt % HCO) kontaktas med hydrofila material (kallad geleringsmedel och består av mestadels glycerin och tensid), de attraktiva krafter avkastning, orsakar gelation. Denna gel system används för att Visa driften av enheten som ett verktyg för mätning i följd fasövergångar på ett enda prov^9,10. För att karaktärisera dessa gel ställningar under dynamiska övergångar och delikat begynnande gel strukturen på kritisk fas övergången, använder vi MPT för att karakterisera dessa material plats och tid med hög upplösning.

Microrheology används för att bestämma gel egenskaper och struktur, särskilt vid kritiska övergången, av en array av mjuka material, inklusive kolloidalt och polymera geler^5,6,9,16. MPT är en passiv microrheological teknik som använder video mikroskopi till post den Brownsk rörelsen av fluorescerande sonden partiklar som är inbäddad i ett prov. Partikel positioner i hela videor bestäms exakt till inom 1/10^th av en pixel med klassiskt spårning algoritmer^17,18. Ensemblen i genomsnitt mean-squared deplacement (MSD, (Δr²(t))) beräknas från dessa partikel banor. MSD är relaterad till materialegenskaper, t.ex krypning, använder den generaliserade Stokes-Einstein Relation^{17,19,20,21,22, 23}. Tillståndet för materialet bestäms genom att beräkna logaritmisk lutningen på kurvan MSD som en funktion av fördröjning, α,

där t är fördröjning och jämföra det med kritiska avkoppling exponenten, n. n bestäms med hjälp av tid-cure superposition, en väldokumenterad teknik som ändrades för att analysera MPT data av Larsen och Furst⁶. Genom jämförelse av n till α bestäms delstaten materialet kvantitativt. När α > n materialet är en sol, och när α < n materialet är en gel. Tidigare arbeten har präglat HCO systemet använder microrheology för att bestämma de kritiska avkoppling exponent⁹. Med den här informationen bestämma vi exakt när materialet övergångar från en gel till en sol under ett experiment. Dessutom kan icke-Gaussisk parametern, α_NG, beräknas för att avgöra omfattningen av strukturella heterogeniteten i ett system,

där Δx(t) är endimensionella partikel rörelsen i x riktning. Använda MPT, vi kan karakterisera en enfas övergång, men genom att karaktärisera material med MPT i en mikroflödessystem enhet, vi kan manipulera omgivningen vätska och samla in data av flera fasövergångar på ett enda gel urval.

Mikroflödessystem enheten är utformad för att undersöka de kritiska övergångarna provvikt enda gel som genomgår fas förändringar som svar på förändringar i den omgivande vätska miljön. Enheten byter vätska som omger provet när det är antingen i tillståndet gel eller sol genom att låsa provet för att framkalla en fasövergång samtidigt minimera skjuvning. En solvent bassäng ligger direkt ovanför den provkammare, som förbinds av sex symmetriskt fördelade inlopp kanaler. Denna symmetri möjliggör utbyte av vätska från lösningsmedel bassängen till provkammaren samtidigt skapa lika tryck runt provet, låsa den på plats. Det har gjorts flera studier som använder denna teknik för enskild partikel och DNA svällning, men detta arbete skalar upp volymen från enstaka molekyler till prover som är cirka 10 µL^24,25,26. Denna unika design gör det också möjligt för realtid microrheological karakterisering under fasövergångar.

µ²reologi är en robust teknik som gäller för många mjuk materia system. Tekniken som beskrivs i detta dokument var avsedd för kolloidal geler, men det kan enkelt anpassas till andra material såsom polymer eller micellar lösningar. Med denna teknik, vi bestämmer inte bara hur fasövergångar påverkar jämvikt materialets egenskaper, men också hur olika bearbetningsstegen kan ha bestående effekter på de reologiska evolutionen av materialet och den slutliga byggnadsställning strukturen och egenskaper.