Combinant la microfluidique et microrhéologie pour déterminer les propriétés rhéologiques de la matière molle au cours de Transitions de phases répétées

Transitions de phase dans la matière molle peuvent changer la structure de l’échafaudage, qui a des implications dans la stabilité de transformation et finale de la matière^1,2,3. La caractérisation de matériaux mous au cours de transitions de phase dynamique fournit des informations essentielles sur la relation entre l’évolution structurale et structure d’équilibre et des propriétés rhéologiques. Par exemple, de nombreux produits de soins à domicile nécessitent un changement de phase au cours de l’utilisation par les consommateurs. Aussi, lors de sa fabrication, étapes de traitement, y compris la dilution et le mixage, peut donner au cisaillement qui affectent les propriétés rhéologiques et microstructure finale du produit. Comprendre les propriétés rhéologiques tout au long d’un changement de phase permet d’utiliser le produit comme prévu. En outre, si les forces modifient la rhéologie départ du matériau lors de sa fabrication, transitions de phase peuvent donner des résultats inattendus et indésirables, changer la fonction et l’efficacité. Au point critique de gélation, défini comme le point où le matériau passe d’une solution de colloïdes associés ou de polymères à un réseau s’étendant sur échantillon de gel, les propriétés du matériau changent radicalement avec de légères modifications à l’association. Toute modification apportée à la structure au point critique de gel peut influer sur le produit final⁴. Pendant ces transitions dynamiques, matériaux souples ont de faibles propriétés mécaniques et des mesures qui utilisent des techniques expérimentales classiques peuvent être dans la mesure bruit limite^5,6,7. Pour tenir compte de cette, techniques telles que microrhéologie, qui est sensible dans la gamme de modules d’élasticité faible (10^-3 – 4 Pa), sont utilisés pour caractériser le gel naissant faible au cours de l’évolution dynamique. Certains matériaux sont sensibles à l’évolution de la microstructure en raison des forces extérieures, qui présente un défi lors de la caractérisation, que tout transfert de matériel ou de fluide peut influer sur la structure et, en fin de compte, les propriétés du matériau finales. Pour éviter d’altérer la microstructure des matériaux, nous avons développé un dispositif microfluidique qui peut échanger le fluide environnement autour d’un échantillon tout en minimisant le cisaillement. En échangeant l’environnement fluide, changements dans les propriétés rhéologiques et la microstructure sont mesurées au cours de transitions de phase avec des contributions minimales de cisaillement. Le dispositif est combiné avec plusieurs particules microrhéologie (MPT) de suivi dans une technique appelée µ²rhéologie. Cette technique est utilisée pour quantifier les propriétés matérielles lors des changements de phase consécutive d’un gel en réponse à un moteur externe. La technique sera illustrée à l’aide d’un gel colloïdal fibreux, l’huile de ricin hydrogénée (HCO)^9,10,11.

Gel échafaudages peuvent subir des changements dans l’association et de dissociation en raison de leur échantillon environnement^12,13,14,15. La force motrice de gélification et de dégradation sont matériel spécifique et doit être adaptée pour chaque matériau d’intérêt. rhéologie de²µ peut servir à caractériser les systèmes de gel qui répondent à des stimuli externes, y compris les réseaux colloïdaux et polymères. Modification de pH, pression osmotique ou concentration en sel est des exemples de moteurs qui peuvent induire des changements dans la microstructure du matériau. Par exemple, HCO subit des transitions de phase contrôlée en créant un gradient de pression osmotique. Lorsqu’un échantillon de gel concentré HCO (4 % en poids HCO) est immergé dans l’eau, les forces d’attraction entre les particules colloïdales s’affaiblir, entraînant la dégradation. Par ailleurs, lorsqu’une solution diluée d’HCO (0,125 % de poids HCO) est en contact avec un matériau hydrophile (dénommé le gélifiant et composé principalement de glycérine et agent tensio-actif), la séduisante forces retour, causant la gélification. Ce système de gel servira à montrer le fonctionnement de l’appareil comme un outil pour mesurer les transitions de phases consécutives sur un seul échantillon^9,10. Pour caractériser ces échafaudages de gel au cours des transitions dynamiques et la structure délicate gel naissante à la transition de la phase critique, les MPT nous permet de caractériser ces matériaux avec une haute résolution temporelle.

Microrhéologie est utilisée pour déterminer les propriétés du gel et structure, en particulier pour la transition critique, d’un tableau des matériaux souples, y compris les gels colloïdaux et polymères^5,6,9,16. MPT est une technique de microrheological passive qui utilise la microscopie vidéo pour enregistrer le mouvement brownien des particules sonde fluorescente intégré au sein d’un échantillon. Les positions des particules dans les vidéos sont précisément déterminées à 1/10^ème d’un pixel à l’aide classique suivi algorithmes^17,18. L’ensemble en moyenne quadratique moyenne cylindrée (MSD, (Δr²(t))) est calculé à partir de ces trajectoires de particules. Le TMS est lié aux propriétés des matériaux, tels que la conformité de fluage, en utilisant la Relation de Stokes-Einstein généralisée^{17,19,20,21,22, 23}. L’état de la matière est déterminée en calculant la pente logarithmique de la courbe MSD en fonction du temps de latence, α,

où t est le temps de latence et en le comparant à l’exposant critique de relaxation, n. n est déterminé à l’aide de superposition de temps-cure, une technique bien documentée qui a été modifiée pour analyser les données de la MPT de Larsen et Furst⁶. En comparaison de n α l’état de la matière est déterminé quantitativement. Lorsque α > n le matériau est un sol et quand α < n le matériau est un gel. Les travaux précédents a caractérisé le système HCO utilisant microrhéologie pour déterminer l’ exposant critique de relaxation⁹. En utilisant cette information, nous déterminons précisément lorsque le matériel effectue une transition d’un gel d’un sol pendant une expérience. En outre, le paramètre non gaussiennes, α_NG, peut être calculé pour déterminer le degré d’hétérogénéité structurelle d’un système,

Δx(t) étant le mouvement de la particule unidimensionnel dans la direction x . À l’aide de MPT, nous pouvons caractériser une transition de phase unique, mais de caractériser les matériaux avec MPT dans un dispositif microfluidique, nous sommes en mesure de manipuler le milieu liquide environnant et de recueillir des données de plusieurs transitions de phase sur un échantillon de gel unique.

Ce dispositif microfluidique est conçu pour étudier les transitions critiques d’un échantillon de gel unique qui subit des changements de phase en réponse aux changements dans le milieu liquide environnant. Le dispositif échange liquide entourant l’échantillon lorsqu’il est dans l’état de gel ou de sol en verrouillant l’échantillon permettant d’induire une transition de phase tout en minimisant le cisaillement. Un bassin de solvant se situe directement au-dessus de la chambre de mesure, qui sont reliées par six canaux d’entrée symétriquement espacés. Cette symétrie permet l’échange de liquide dans le bassin de solvant pour le compartiment de mesure tout en créant une pression égale autour de l’échantillon, verrouiller en place. Il y a eu plusieurs études qui utilisent cette technique pour une seule particule et le piégeage de l’ADN, mais ce travail évolue au volume de molécules simples vers des exemples qui sont environ 10 µL^24,25,26. Cette conception unique permet également la caractérisation microrheological en temps réel au cours de transitions de phase.

rhéologie de²µ est une technique robuste qui s’applique à de nombreux systèmes de matière molle. La technique décrite dans le présent document a été conçue pour les gels colloïdaux, mais il peut être facilement adaptée à d’autres matériaux tels que le polymère ou solutions micellaires. Avec cette technique, nous déterminons non seulement comment les transitions de phase affectent les propriétés matérielles de l’équilibre, mais aussi comment les différentes étapes peuvent avoir des effets sur l’évolution rhéologique du matériau et la structure de l’échafaudage final durables et Propriétés.