שילוב מיקרופלואידיקה Microrheology כדי לקבוע מאפייני Rheological מחומר רך במהלך שלב חוזרות מעברים

מעברי פאזה בעניין רך יכול לשנות את המבנה בפיגומים, אשר יש השלכות ביציבות עיבוד והאחרון של חומרים^1,2,3. אפיון חומרים רכים במהלך מעברי פאזה דינאמי מספק מידע חיוני על הקשר בין התפתחות מבנית ואת מבנה שיווי משקל מאפייני rheological. לדוגמה, מוצרים ושרותים רבים דורשים שינוי פאזה במהלך שימוש על ידי הצרכן. כמו כן, בתהליך הייצור, צעדים עיבוד, כולל דילול, ערבוב, להקנות הטיה המשפיעים על מאפייני rheological של מיקרו הסופי של המוצר. הכרת מאפייני rheological לאורך כל שינוי פאזה מבטיחה כי המוצר מבצע כמתוכנן. בנוסף, אם כוחות לשנות rheology ההתחלתי של החומר בתהליך הייצור, מעברי פאזה יכולות להניב תוצאות בלתי צפויה ולא רצויה, לשנות את הפונקציה המיועד והיעילות. בנקודה קריטית gelation, הגדיר את הנקודה שבה החומר המעברים פתרון של קולואידים ואמולסיות המשויך או פולימרים לרשת ג’ל פורש-לדוגמה, תכונות החומר שינוי דרסטי עם שינויים קלים להתאחדות. כל שינוי המבנה בנקודה קריטית ג’ל יכול להשפיע את המוצר הסופי⁴. במהלך מעברים אלה דינמי, חומרים רכים יש תכונות מכניות חלש, מדידות משתמשים בטכניקות ניסיוני הקלאסית ניתן תוך מדידת רעש מגבלת^5,6,7. לקחת בחשבון זה, טכניקות כגון microrheology, המגלה רגישות בטווח נמוך מודולים (10^-3 – 4 הרשות הפלסטינית), נעשה שימוש כדי לאפיין את הג’ל התחלתית חלש במהלך האבולוציה דינמי. כמה חומרים רגישים לשינויים מיקרו בגלל כוחות חיצוניים, אשר מהווה אתגר במהלך האפיון, כמו לכל העברת חומר או נוזל יכול להשפיע על המבנה ובסופו של דבר, את תכונות החומר הסופי. כדי למנוע שינוי של מיקרו גשמי, פיתחנו מכשיר microfluidic שבו אפשר להחליף את הנוזל הסביבה סביב מדגם תוך מזעור הטיה. על ידי החלפת נוזלים לסביבה, שינויים מאפייני rheological מיקרו נמדדים במהלך שלב מעברים עם תרומות מינימלי של הטיה. המכשיר משולבת עם חלקיקים מרובים מעקב microrheology (MPT) בטכניקה הנקראת rheology²ממוצע. טכניקה זו משמשת כדי לכמת תכונות החומר במהלך שלב רצופים שינויים של ג’ל בתגובה כוח נהיגה חיצוני. הטכניקה יומחשו באמצעות ג’ל colloidal סיבי a, שמן קיק מוקשה (HCO)^9,10,11.

ג’ל פיגומים יכול לעבור שינויים האגודה דיסוציאציה עקב שלהם לדוגמה הסביבה^12,13,14,15. הכוח המניע של gelation והשפלה חומר מסוים, חייב יהיה מותאם עבור כל חומר מעניין. ראולוגיה²ממוצע ניתן לאפיון מערכות ג’ל מגיב לגירויים חיצוניים, כולל רשתות colloidal פולימריים. שינוי ה-pH, לחץ אוסמוטי או ריכוז המלחים הם דוגמאות של הכוחות זה יכול לגרום לשינויים מיקרו גשמי. לדוגמה, HCO עובר מעברי פאזה מבוקרת על-ידי יצירת מעבר צבע על לחץ אוסמוטי. כאשר מדגם ג’ל HCO מרוכז (4 wt % HCO) שקוע במים, כוחות אטרקטיביים בין colloidal חלקיקי להחליש, גורם השפלה. לחלופין, כאשר פתרון שתדללו של HCO (0.125 wt % HCO) הוא יצר קשר עם חומר הידרופיליות (המכונה הסוכן ג’לי, המורכבת בעיקר גליצרין, חומרים פעילי שטח), מושכת כוחות ההחזרה, גורם gelation. מערכת זו ג’ל ישמש כדי להראות את הפעולה של המכשיר ככלי למדידת מעברי פאזה רצופים מדגם יחיד^9,10. כדי לאפיין פיגומים ג’ל אלה במהלך מעברים דינמיים, המבנה ג’ל עדין התחלתית-המעבר שלב קריטי, אנו משתמשים MPT לאפיון חומרים אלה עם רזולוציה גבוהה-עתיים.

Microrheology משמשת כדי לקבוע מאפייני ג’ל ומבנה, במיוחד בזמן המעבר הקריטי, של מערך מחומרים קלים, כולל ג’לים colloidal ו פולימריים^5,6,9,16. MPT היא טכניקה microrheological פסיבי המשתמשת מיקרוסקופ וידאו לרשומה תנועה בראונית של חלקיקים בדיקה פלורסנט מוטבע בתוך מדגם. מיקומי החלקיקים לאורך קטעי וידאו נחושים בדיוק בתוך 1/10^בתאנון השימוש פיקסל קלאסית מעקב אלגוריתמים^17,18. ההרכב בממוצע בריבוע אומר הזחה (MSD, (Δr²(t))) מחושבת על פי מסלולי חלקיקים אלה. MSD קשורה תכונות החומר, כגון הציות השרץ, באמצעות יחס סטוקס-איינשטיין מוכללת^{17,19,20,21,22, 23}. המדינה של החומר נקבע על ידי חישוב המדרון לוגריתמי של העקומה MSD כפונקציה של זמן השהיה, α,

כאשר t הוא זמן השהיה ולאחר השוואתו המעריך הקריטיים מרגוע, n. n נקבעת באמצעות זמן-קיור הסופרפוזיציה, מתועדת היטב בטכניקה שונה כדי לנתח נתונים MPT לארסן, פירסט⁶. על ידי השוואה של n כדי α המדינה של החומר באופן כמותי נקבע. כאשר α > n החומר הוא סול, ומתי α < n החומר הוא ג’ל. העבודות הקודמות יש מאופיין שבמערכת HCO שימוש microrheology כדי לקבוע הרפיה ביקורתי המעריך⁹. באמצעות מידע זה, נוכל לקבוע בדיוק מתי החומר המעברים של ג’ל סול במהלך ניסוי. בנוסף, ניתן לחשב את הפרמטר הלא-Gaussian, α_NG, כדי לקבוע את מידת הטרוגניות מבנית של מערכת,

איפה תנועת החלקיקים מימדי בכיוון x , Δx(t). באמצעות MPT, ניתן לאפיין שינוי חד-פאזי, אך על ידי אפיון חומרים עם MPT התקן microfluidic, אנחנו מסוגלים לתפעל את סביבתו נוזלים ולאסוף נתונים של מעברים שלב מספר על מדגם יחיד ג’ל.

זה מכשיר microfluidic נועדה לחקור את המעברים הקריטיים של מדגם יחיד ג’ל זה עובר שינויים שלב בתגובה לשינויים בסביבה נוזלית שמסביב. המכשיר בורסות נוזלים המקיפים את הדגימה כאשר הוא גם במדינה ג’ל או סול על ידי נעילת המדגם במקום לזירוז מעבר שלב תוך מזעור הטיה. אגן הממס ממוקם ישירות מעל תא הדגימה, אשר מחוברים באמצעות שישה ערוצים כניסת מפוזרים באופן סימטרי. סימטריה זו מאפשרת חילופי נוזלים מאגן הממס לבין תא הדגימה תוך יצירת לחץ שווה סביב המדגם, נעילתה במקום. היו מספר מחקרים להשתמש בשיטה זו עבור חלקיק בודד ו- DNA השמנה, אך עבודה זו משנה את עוצמת הקול ממולקולות יחיד כדי דגימות המהווים כ 10 µL^24,25,26. עיצוב ייחודי זה מאפשר גם אפיון microrheological בזמן אמת במהלך שלב מעברים.

ממוצע²rheology היא טכניקה חזקה הרלוונטיים מערכות רבות חומר רך. בטכניקה המתוארת במאמר זה תוכנן עבור colloidal ג’לים, אך זה ניתן בקלות להתאים חומרים אחרים כגון פולימר או פתרונות micellar. בטכניקה זו, נוכל לקבוע לא רק כיצד מעברי פאזה משפיעים על תכונות החומר של שיווי משקל, אך שלבי עיבוד גם כמה שונה שנמשך השפעות על ההתפתחות rheological של החומר ואת המבנה בפיגומים הסופי, מאפיינים.