Skip to content
Home » Röntgenstralen volgen het gedrag van zachte materialen

Röntgenstralen volgen het gedrag van zachte materialen

    Röntgenstralen volgen het gedrag van zachte materialen
    Door dik en dun: röntgenstralen volgen het gedrag van zachte materialen

    Close-up foto van een gel die uit een cosmetische pipet druipt. Gels zijn een soort zacht materiaal. Deze materialen kunnen gemakkelijk vervormen als reactie op stress. Het begrijpen van de dynamiek die van invloed is op hoe ze ontspannen, is een actief onderzoeksgebied. Krediet: Shutterstock/Anastasiya Shatyrova.

    Met een krachtige röntgenstraaltechniek onderzoeken onderzoekers wat zachte materialen zoals tandpasta en haargel doet ontspannen. De inzichten die ze hebben opgedaan, kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe consumentenproducten en nanotechnologieën.


    Scheergel, shampoo en een kopje yoghurt. Wat hebben ze allemaal gemeen? Het zijn allemaal voorbeelden van zachte materialen, dat wil zeggen materialen die gemakkelijk van vorm veranderen als er spanning op komt te staan.

    In het dagelijks leven zijn zachte materialen overal. Tandpasta, huidcrèmes, tissues en coatings zijn slechts enkele voorbeelden. Onder stress kunnen zachte materialen van vorm veranderen door de kleine fluctuatie van hun deeltjes, die dynamisch zijn. Dit proces van “ontspanning” gebeurt willekeurig en op een te kleine schaal voor wetenschappers om gemakkelijk vast te stellen. Maar met de hulp van de Advanced Photon Source (APS), een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science in het Argonne National Laboratory van DOE, krijgen onderzoekers een beter begrip van deze materialen.

    In een paar recent gepubliceerde artikelen hebben twee onafhankelijke onderzoeksteams met succes een krachtige röntgenstraaltechniek bij het APS gebruikt om nieuwe inzichten te verkrijgen over de dynamiek van zachte materialen. De informatie die ze hebben geleerd, kan mogelijk helpen bij het ontwerpen en ontwikkelen van een breed scala aan consumentenproducten, waaronder voedingsproducten zoals ijs en gelatinedesserts; persoonlijke verzorgingsproducten zoals vochtinbrengende crèmes en shampoo; batterijen; verven, schuimen en kunststoffen die bij de fabricage worden gebruikt; en zelfs nanotechnologieën waaruit coatings en systemen voor medicijnafgifte bestaan.

    “Het begrijpen van de dynamiek van zachte materialen is belangrijk omdat we geloven dat ze een directe en diepgaande invloed hebben op eigenschappen die we zouden willen controleren, zoals viscositeit en elasticiteit. Die eigenschappen bepalen hoe zacht een gel is of hoe snel een materiaal stroomt, ” zei Argonne assistent-fysicus Qingteng Zhang, een co-auteur van beide artikelen.

    Hoe onderzoekers de kracht van röntgenstralen hebben benut

    De röntgenstraaltechniek die beide onderzoeken hebben gebruikt, staat bekend als röntgenfotoncorrelatiespectroscopie (XPCS). Dergelijke technieken stellen wetenschappers in staat om de vorm en functie van een breed scala aan materialen op moleculaire en atomaire schaal te onderzoeken.

    XPCS is ontworpen om microscopische dynamiek te onthullen in gebieden zo klein als de diameter van een mensenhaar. Ze kunnen vastleggen hoe de dynamiek verandert in perioden van slechts een miljoenste van een seconde tot een paar uur.

    Daarbij wordt een materiaal blootgesteld aan röntgenstralen. Wanneer de röntgenstralen weerkaatsen op de bewegende deeltjes in het monster, veranderen de eigenschappen van die röntgenstralen, zoals hun reisrichting. Onderzoekers kunnen deze veranderingen vervolgens detecteren en gebruiken om te berekenen hoe snel deeltjes in het materiaal over verschillende lengtes bewegen, en zo leren over de dynamiek van hun structuur.

    Stressontspanning in hydrogels

    Een studie waarin XPCS werd gebruikt, werd gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences door wetenschappers van Argonne en het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Hier werd de techniek gebruikt om een ​​hydrogel te beoordelen.

    “Je kunt op twee manieren naar dynamiek kijken, of hoe dingen in de tijd veranderen: op kleine schaal en op grote schaal”, zegt MIT-professor Gareth McKinley, een co-auteur van de studie. “In ons laboratorium aan het MIT gebruiken we mechanische instrumenten, rheometers genaamd, om veranderingen op grotere schaal te bekijken, en dit vervolgens gecombineerd met XPCS bij de APS om de dynamiek op microscopisch niveau te begrijpen.”

    Om een ​​compleet beeld te krijgen van de dynamiek van een hydrogel, onderzochten onderzoekers de dynamiek van de hydrogel met en zonder externe mechanische belasting. Dit hielp om de verbanden tussen de kleinschalige en grootschalige veranderingen in het materiaal bloot te leggen.

    “XPCS heeft ons geholpen de microscopische herschikkingen te begrijpen die optreden in zachte gelmaterialen, vooral in de aanwezigheid van mechanische stress. Dit heeft implicaties voor het ontwerpen van zachte materialen, variërend van hydrogels die worden gebruikt bij medicijnafgifte en celcultuur, tot emulsies en pasta’s die worden gebruikt in consumentenproducten, ” zei MIT-afgestudeerde student Jake Song, hoofdauteur van de studie.

    Ontspanning van zacht materiaal op de interfaces

    Een andere studie, gepubliceerd in ACS Nano door wetenschappers van Argonne, DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en University of Massachusetts (UMASS) Amherst, maakt ook gebruik van XPCS om meer te weten te komen over zachte materialen. Maar in dit geval bestudeerden onderzoekers een mengsel van olie en water.

    Tussen de oppervlakken van de twee vloeistoffen plaatsen onderzoekers zeer fijne deeltjes die bekend staan ​​als nanodeeltjes. Op deze locatie zouden deeltjes waarschijnlijk vastlopen, of dichter opeengepakt worden, en binden om vaste-achtige structuren te vormen. Onderzoekers gebruikten XPCS om de dynamiek te meten terwijl er sprake was van storing.

    “Uiteindelijk kregen we van XPCS een beter begrip van hoe jamming wordt gemodereerd door de dynamiek van het systeem, wat inzichten zijn die we in de toekomst zouden kunnen gebruiken om vloeibare structuren te maken die zich op een bepaalde manier gedragen,” zei co-auteur Tom Russell , gastwetenschapper bij Berkeley Lab en professor aan UMass Amherst.

    Toekomst van röntgenapparatuur op de APS

    Nu de APS momenteel een grote upgrade ondergaat, hebben wetenschappers het potentieel om in de toekomst nog meer uit technieken zoals XPCS te halen.

    De verbeterde APS zal de coherentie van de röntgenbundel drastisch vergroten, wat betekent hoe gesynchroniseerd de golffronten van de stralen zijn, en deze specifieke techniek zal daardoor tot een miljoen keer verbeteren.

    “Deze upgrades zullen de soorten materialen die we in de toekomst met deze techniek kunnen meten aanzienlijk uitbreiden”, zegt Zhang. “Het zal spannend zijn om de nieuwe wetenschap te zien die het APS in de komende jaren mogelijk kan maken.”


    Onderzoek toont aan hoe kraakbeen interageert met de gewrichten in ons lichaam


    Informatie:
    Jake Song et al, Microscopische dynamiek die ten grondslag ligt aan de spanningsrelaxatie van vastgehouden zachte materialen, Proceedings van de National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2201566119

    Paul Y Kim et al, Ontspanning en veroudering van nanosfeerassemblages op een water-olie-interface, ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c00020

    Geleverd door Argonne National Laboratory

    citaten: Door dik en dun: Röntgenstralen volgen het gedrag van zachte materialen (2022, 11 oktober) opgehaald op 11 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-thick-thin-x-rays-track- gedrag.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.