Por aproximadamente 70 anos, a Play-Doh tem entretido crianças com sua forma moldável e esponjosa. Essa substância acquainted pertence a uma categoria mais ampla conhecida como matéria mole, que inclui alguns alimentos (como maionese), géis de impressora 3D, eletrólitos de bateria e tinta látex.
Cientistas do Argonne Nationwide Laboratory do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Pritzker Faculty of Molecular Engineering da Universidade de Chicago relatam um avanço inovador para melhor compreensão e aprimoramento das propriedades de fluxo da matéria mole no nível atômico (nanoescala). Esse avanço depende de uma técnica de última geração chamada espectroscopia de correlação de fótons de raios X (XPCS).
“A matéria mole é facilmente deformada” explicou Matthew Tirrell, consultor sênior e cientista sênior da Argonne e professor emérito da Universidade de Chicago. “Suas propriedades são altamente responsivas a estímulos externos, como força, mudança de temperatura ou reação química.”
Tirrell deu tinta como exemplo. Quando a tinta é aplicada em paredes, fluxos altamente complexos ocorrem na nanoescala, mas quando a escovação ou o rolamento são interrompidos, quer-se que o fluxo pare para que a tinta não escorra pela parede.
“Em poucas palavras, desenvolvemos uma nova técnica para caracterizar as flutuações complicadas que as nanopartículas de matéria mole sofrem quando são submetidas a algo como uma força aplicada ou mudança de temperatura.disse o aluno de pós-graduação e autor principal HongRui He, que trabalhou neste projeto como parte do programa Graduate Analysis Cooperative. Neste programa, ele está fazendo seu Ph.D. na College of Chicago enquanto conduz sua pesquisa em Argonne.
Até agora, ninguém conseguiu determinar precisamente o comportamento do fluxo e as interações dessas nanopartículas ao longo do tempo e correlacioná-las com as propriedades do fluxo em massa. “Experimentos XPCS anteriores exigiam a média dos dados coletados, o que levou à perda de informações cruciais sobre os processos complexos na nanoescala”, observou Wei Chen, um químico da Argonne.
O método inovador da equipe permite que os cientistas determinem um fator-chave, o coeficiente de transporte, com base em dados XPCS. Esse coeficiente mede o fluxo em um materials. Determiná-lo é essencial para entender como a matéria mole se transfer e muda ao longo do tempo em resposta a um estímulo externo.
Para obter os dados XPCS necessários, é necessário um feixe de raios X especial como o disponível na Superior Photon Supply (APS), uma instalação de usuário do DOE Workplace of Science em Argonne. Este feixe é sensível a qualquer desordem no materials ao longo do tempo na nanoescala.
A equipe testou seu método XPCS com um materials macio complexo -; uma mistura densa de partículas esféricas carregadas em uma solução salina. O cisalhamento foi a força aplicada ao materials na linha de luz 8-ID-I do APS. “O cisalhamento ocorre quando você espalha uma loção espessa nas mãos e as esfrega”, explicou Suresh Narayanan, físico e líder de grupo no APS.
Os resultados do cisalhamento forneceram insights valiosos sobre as propriedades de fluxo em mudança e deformidades nessa mistura contendo sal. No início, três bandas de nanopartículas se formaram: movimento rápido, movimento lento e estático. Após 15 segundos, a banda de movimento rápido desapareceu. Cerca de 40 segundos depois, as três bandas retornaram. Essas descobertas estão além do alcance dos métodos de análise atuais e marcam um grande salto para a análise XPCS relevante para muitos tipos diferentes de matéria mole.
“Este desenvolvimento do XPCS é muito oportuno para trabalhos futuros devido ao aumento significativo no brilho do feixe com a atualização do APS,” disse Narayanan. “Além disso, ele tem potencial para estudar fenômenos naturais, como deslizamentos de terra, terremotos e o crescimento de placas nas artérias. Entender essas flutuações no fluxo na nanoescala pode ajudar a prever mudanças futuras em uma escala maior.”
A atualização em andamento do APS inclui um novo conjunto de linhas de luz em 8-ID dedicadas ao XPCS. As novas linhas de luz farão uso do feixe de raios X aprimorado para aprimorar a pesquisa do XPCS daqui para frente. Espera-se que novos experimentos comecem no APS atualizado no closing de 2024.
A equipe usou o Centro de Materiais em Nanoescala, outra instalação do Departamento de Ciências do DOE em Argonne, para caracterizar as partículas na solução salina.
Esta pesquisa apareceu pela primeira vez na PNAS. Além de He, Tirrell, Chen e Narayanan, a equipe de Argonne e da Universidade de Chicago incluiu Heyi Liang, Miaoqi Chu, Zhang Jiang e Juan de Pablo.
A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE e pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório em Argonne.