麻省理工学院的研究人员开发了一种新的方法，用于确定一类被广泛使用的柔软材料的结构和行为，这种材料被称为弱胶体凝胶，从化妆品到建筑材料都可以找到。该研究对凝胶在其整个演化过程中的特性进行了描述，因为它们从矿物质溶液变为弹性凝胶，然后变为玻璃状固体。

这项工作揭示了凝胶随着时间自然变化的微观结构机理，以及随着时间的推移以及实验变形速率的变化，其弹性特性也如何变化。这种表征应允许对凝胶的行为进行进一步的研究，预测和操纵，为药物输送和食品生产等领域的进步打开大门，在这些领域中，这些凝胶是常见的成分，以及从水净化到水处理的各种应用。核废料处理，使用结晶态，多孔形式的这些胶体凝胶，称为沸石。

麻省理工学院工程学院教学创新教授，机械工程学教授加雷斯·麦金利说：“我们相信，对于胶体和随后的老化过程的这种新的整体认识和理解对于从事软物质研究的材料科学家而言非常重要。”

麻省理工学院机械系的博士后Bavand Keshavarz说：“我们的结果使研究人员能够确定为什么弱的胶体凝胶既显示玻璃态又类似于凝胶的行为，并可能设计使凝胶具有特定的机械响应特性。”新研究的工程学和第一作者，发表在PNAS中。

这项研究是麻省理工学院，阿贡国家实验室，法国国家科学研究中心以及法国替代能源与原子能委员会国际合作的一部分。

使用广泛用于制造沸石的铝硅酸盐凝胶，研究人员克服了表征这些非常柔软的材料(随着时间的推移不断变化)以及根据变形速率表现出不同特性而面临的许多挑战。Keshavarz将他们的行为比喻为Silly Putty的行为，如果缓慢拉动它会拉伸并流动，但是如果快速拉动它则会急剧断裂。

凝胶也很快老化，这意味着它们所表现出的机械性能虽然已经以不同的变形速率发生了变化，但是却随着时间而迅速变化。Keshavarz说，以前的大多数研究都集中在研究这些材料处于成熟状态时。

Keshavarz说：“由于他们观察到的实验窗口相当狭窄，因此他们无法获得凝胶的整体照片。”

对于这项研究，研究人员意识到，他们可以通过称为“时间连接重叠”的框架使凝胶的老化过程发挥其优势。

他们使铝硅酸盐在凝胶化和随后的老化过程中经历了一系列重复的复杂变形频率，称为chi。以蝙蝠和海豚产生的回声定位信号序列为模型的非常迅速地测试了不断变化的软材料的特性。

通过在整个凝胶演化过程中重复应用线性调频信号，研究人员开发了一系列可视为信息的快照，这些快照代表了凝胶的机械性能，因为它们受到的变形频率范围涵盖了八个数量级。幅度(例如，从0.0001赫兹到10,000赫兹)。

Keshavarz说：“这意味着我们已经在很宽的探测频率范围内研究了材料的行为，从非常缓慢的变形到非常快速的变形。”

所得快照提供了凝胶力学性能的全面概况，使研究人员可以得出结论，弱胶体凝胶(俗称糊状材料)具有双重性质，既具有玻璃又具有凝胶的特征。在进行这项研究之前，研究人员有限的观察视角使他们得出这样的结论，即这些材料是凝胶或玻璃，没有在一个实验中同时观察到这两种特征。

麦金利说：“一位科学家说这是一种凝胶，另一位科学家说这是一种玻璃。它们都是正确的。”他将凝胶的特性与焦糖的特性进行了比较，焦糖具有与加热时相同的时间连接性叠加原理。可以是柔软耐嚼的，也可以是易碎的玻璃状的。

为了观察硅铝酸盐凝胶的演化结构，除了检查其在整个凝胶化和老化过程中的机械性能外，研究人员还应用了X射线散射技术。这使他们能够从凝胶的化学成分小于光的波长开始解析凝胶的结构，因此在不渗透X射线的情况下是不可见的。该过程使研究人员可以观察到凝胶的物理结构，其长度范围超过四个数量级，范围从1微米缩小到0.1纳米。

研究人员在如此宽泛的空间尺度上观察凝胶，发现当颗粒聚集成凝胶时，连接的颗粒的分形网络像凝胶一样保持固定，超过了凝胶点。网络不断增长并增加了集群，规模发生了变化，但主要结构或“骨干”和几何形状保持不变。

研究人员在如此广泛的空间尺度上检查了这些材料，并将这些信息与有关材料力学行为的并行信息相结合，研究人员还得出结论，网络中较大的团簇在变形后以凝胶状的方式更缓慢地松弛，而较小的团簇则更慢。簇像刚硬的玻璃质材料一样放松得更快。麦金莱(McKinley)类似于我们在记忆泡沫床垫从压缩状态恢复所需的时间与非常坚硬的传统床垫所需的时间之间所经历的明显差异。观察材料中团簇的大小与弛豫速率之间的这种关系，进一步揭示了这些柔软材料独特特性的起源。

Keshavarz说：“我们的工作开辟了一个新颖的视角，为研究人员就这些糊状材料的性质发展出更全面的观点铺平了道路。”

“胶体凝胶是无处不在的材料，”乔治敦大学物理系副教授Emanuela Del Gado说，他没有参与这项研究，但过去曾与MIT团队合作。“它们的物理学在许多行业和技术(从食品到油漆，水泥，个人护理产品和生物医学应用)中都很重要。本文是首次尝试识别微观特征，这些特征统一了潜在的广泛类系统的力学通过将[凝胶的]微结构与其流变行为联系起来。”

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