La combinación de la microfluídica y Microrheology para determinar las propiedades reológicas de materia blanda durante las transiciones de fase repetido

Transiciones de fase en materia blanda pueden cambiar la estructura del andamio, que tiene implicaciones en la estabilidad final y procesamiento de los materiales^1,2,3. La caracterización de los materiales blandos durante las transiciones de la fase dinámica proporciona información esencial acerca de la relación entre la estructura de equilibrio y evolución estructural y propiedades reológicas. Por ejemplo, muchos productos de cuidado del hogar requieren un cambio de fase durante el uso del consumidor. También, durante la fabricación, pasos de procesamiento, incluyendo la dilución y mezcla, puede impartir la cizalla que afectan las propiedades reológicas y la microestructura final del producto. Comprensión de las propiedades reológicas a través de un cambio de fase asegura que el producto funciona como diseñado. Además, si las fuerzas de modificar la reología a partir del material durante la fabricación, las transiciones de fase pueden producir resultados inesperados y no deseados, cambiar la función y la eficacia. En el punto de gelificación crítico, definido como el punto donde el material de las transiciones de una solución de coloides asociados o polímeros a una red de gel que atraviesan la muestra, las propiedades del material cambian drásticamente con ligeros cambios a la asociación. Cualquier modificación de la estructura en el punto crítico del gel puede afectar el producto final⁴. Durante estas transiciones dinámicas, materiales blandos tienen débiles propiedades mecánicas y medidas que utilizan técnicas experimentales clásicas pueden ser dentro de la medición ruido límite^5,6,7. Para tener en cuenta esto, técnicas como la microrheology, que es sensible en la gama de módulos bajos (10^-3 – 4 Pa), se utilizan para caracterizar el gel incipiente débil durante la evolución dinámica. Algunos materiales son susceptibles a cambios en la microestructura debido a fuerzas externas, que presenta un desafío durante la caracterización, ya que cualquier cambio de material o líquido puede afectar la estructura y, en definitiva, las propiedades del material finales. Para evitar alterar la microestructura del material, hemos desarrollado un dispositivo de microfluidos que puede intercambiar el fluido ambiental en una muestra reduciendo al esquileo. Intercambiando el ambiente líquido, cambios en las propiedades reológicas y microestructura se miden durante las transiciones de fase con aportes mínimos de corte. El dispositivo se combina con múltiples partículas microrheology (MPT) de seguimiento de una técnica llamada μ²reología. Esta técnica se utiliza para cuantificar las propiedades del material durante los cambios de fase consecutiva de un gel en respuesta a una fuerza impulsora externa. La técnica se ilustrará mediante un gel coloidal fibroso, aceite de ricino hidrogenado (HCO)^9,10,11.

Andamios de gel pueden experimentar cambios en la asociación y disociación debido a su muestra medio ambiente^12,13,14,15. La fuerza de gelificación y degradación son material específico y debe ser adaptado para cada material de interés. μ²reología puede utilizarse para caracterizar sistemas de gel que responden a estímulos externos, incluidas las redes coloidales y poliméricas. Alteración de pH, presión osmótica o la concentración de la sal es ejemplos de fuerzas que pueden inducir cambios en la microestructura del material de la conducción. Por ejemplo, HCO sufre transiciones de fase controlada mediante la creación de un gradiente de presión osmótica. Cuando una muestra de gel concentrada de HCO (4% en HCO) es sumergida en agua, debilitaran las fuerzas atractivas entre las partículas coloidales, causando degradación. Por otra parte, cuando una solución diluida de HCO (% en peso de 0,125 HCO) se pone en contacto con un material hidrofílico (conocido como el agente gelificante y conformada en su mayoría glicerina y surfactante), el atractivo fuerzas de retorno, provocando gelificación. Este sistema de gel se utilizará para mostrar el funcionamiento del aparato como una herramienta para medir las transiciones de fase consecutivos en una sola muestra^9,10. Para caracterizar estos andamios de gel durante las transiciones dinámicas y la estructura del delicado gel incipiente en la transición de fase crítica, utilizamos MPT para caracterizar estos materiales con alta resolución espacio-temporal.

Microrheology se utiliza para determinar propiedades de gel y la estructura, especialmente en la transición crítica, de una gran variedad de materiales blandos, como los geles coloidales y poliméricos^5,6,9,16. MPT es una técnica de microrheological pasiva que utiliza la microscopia video para grabar el movimiento browniano de las partículas de la sonda fluorescente incrustado dentro de una muestra. Las posiciones de la partícula a lo largo de los videos se determinan precisamente para dentro de 1/10^th de un píxel utilizando clásico seguimiento algoritmos^17,18. El conjunto un promedio de desplazamiento de media-squared (MSD, (Δi²(t))) se calcula a partir de estas trayectorias de la partícula. MSD se relaciona con propiedades de los materiales, tales como el cumplimiento de la fluencia, usando la relación de Stokes-Einstein generalizó^{17,19,20,21,22, 23}. El estado del material se determina mediante el cálculo de la pendiente logarítmica de la curva MSD en función del tiempo de retraso, α,

donde t es el tiempo de retraso y comparándolo con el exponente crítico de relajación, n. n se determina mediante la superposición de tiempo de curación, una técnica bien documentada que fue modificada para analizar datos MPT por Larsen y Furst⁶. Por la comparación de n α el estado del material se determina cuantitativamente. Cuando α > n el material es un sol y cuando α < n el material es un gel. Trabajo previo ha caracterizado el sistema HCO microrheology determinar el exponente crítico relajación⁹. Con esta información, determinamos precisamente cuando el material de las transiciones de un gel a un sol durante un experimento. Además, se puede calcular el parámetro no-gausiano, α_NG, para determinar el grado de heterogeneidad estructural de un sistema de

donde Δx(t) es el movimiento de la partícula unidimensional en la dirección x . Con el MPT, podemos caracterizar una transición de fase única, pero por la caracterización de materiales con MPT en un dispositivo de microfluidos, somos capaces de manipular el entorno fluido y recopilar datos de varias transiciones de fase en una muestra de gel solo.

Este dispositivo de microfluidos está diseñado para investigar las transiciones críticas de una muestra de gel solo que sufre cambios de fase en respuesta a cambios en el entorno fluido. El dispositivo de intercambios de líquido que rodea la muestra cuando es en el estado de gel o de sol por la muestra en su lugar para inducir una transición de fase minimizando el corte de cierre. Una cuenca de solvente se encuentra directamente encima de la cámara de muestras, que están conectados por seis canales de entrada simétricamente espaciados. Esta simetría permite el intercambio del líquido de la cuenca del solvente a la cámara muestra al crear igual presión alrededor de la muestra, trabándolo en el lugar. Ha habido varios estudios que utilizan esta técnica para sola partícula y captura de ADN, pero este trabajo escala hasta el volumen de las moléculas individuales para las muestras que son aproximadamente 10 μl^24,25,26. Este diseño único permite también caracterización de la microrheological en tiempo real durante las transiciones de fase.

μ²reología es una técnica robusta que es aplicable a muchos sistemas de materia blanda. La técnica descrita en este documento fue diseñada para los geles coloidales, pero puede ser adaptado fácilmente a otros materiales tales como polímeros o soluciones micelares. Con esta técnica, determinan no sólo cómo las transiciones de fase afectan las propiedades del equilibrio material, pero pasos de tratamiento también diferentes pueden tener efectos sobre la evolución reológica del material y la estructura de andamio final duraderos y propiedades.