Vi demonstrera tillverkning och användning av en mikroflödessystem enhet som gör att flera partikel spårning microrheology mätningar för att studera de reologiska effekterna av upprepad fasövergångar på mjuka material.
Mikrostrukturen i mjuk materia direkt påverkar makroskopiska reologiska egenskaper och kan ändras av faktorer inklusive kolloidalt rearrangering under föregående fasen förändringar och tillämpas skjuvning. För att fastställa omfattningen av dessa förändringar, har vi utvecklat en mikroflödessystem enhet att möjliggör upprepade fasövergångar som induceras av utbyte av omgivande vätska och microrheological karakterisering samtidigt begränsa skjuvning på provet. Denna teknik är µ2reologi, kombinationen av mikrofluidik och microrheology. Mikroflödessystem enheten är en två-lagers design med symmetrisk inlopp strömmar in en provkammare som fällor gel provet på plats under flytande utbyte. Sug kan tillämpas långt borta från provkammaren att dra vätskor i en provkammare. Materialets reologiska egenskaper karakteriseras med hjälp av flera partikel spårning microrheology (MPT). I MPT, fluorescerande sonden partiklar bäddas in i materialet och sonderna Brownsk rörelse registreras med hjälp av video mikroskopi. Rörelsen av partiklarna spåras och mean-squared förskjutningen (MSD) beräknas. MSD är relaterad till makroskopisk reologiska egenskaper, använda generaliserade Stokes-Einstein förhållandet. Fasen av materialet identifieras genom jämförelse för kritiska avkoppling exponenten, fastställs med hjälp av tid-cure superposition. Mätningar av en fibrös kolloidal gel illustrera nyttan av tekniken. Denna gel har en känslig struktur som kan ändras oåterkalleligt när skjuvning tillämpas. µ2reologi data visar att materialet balanserar upprepade gånger till samma reologiska egenskaper efter varje fasövergång, som anger att fasövergångar inte spela en roll i Mikrostrukturens förändringar. För att bestämma rollen för skjuvning, kan prover vara klippt före injektion i vår mikroflödessystem enhet. µ2reologi är en allmänt tillämplig teknik för karakterisering av mjuk materia möjliggör bestämning av reologiska egenskaper av delikat mikrostrukturer i ett enda prov under fasövergångar svar på upprepade förändringar i den omgivande miljöförhållandena.
Fasövergångar i mjuka material kan ändra byggnadsställning struktur, som har konsekvenser för behandling och slutliga stabiliteten i den materiella1,2,3. Karakterisering av mjuka material under dynamiska fasövergångar ger viktig information om förhållandet mellan strukturella evolution och jämvikt struktur och reologiska egenskaper. Exempelvis kräver många hemvårdsprodukter en fasövergång under konsumentanvändning. Också, under tillverkning, bearbetning, inklusive utspädning och blandning, kan ge skjuvning som påverkar reologiska egenskaper och slutliga mikrostrukturen av produkten. Förstå de reologiska egenskaperna i hela en fasövergång ser till att produkten fungerar som avsett. Dessutom om krafter ändra start reologi av materialet under tillverkning, kan fasövergångar ge oväntade och oönskade resultat, ändra avsedda funktion och effektivitet. Vid kritiska gelation punkt, definierad som den punkt där materialet övergångar från en lösning av associerade kolloider eller polymerer till ett prov-spänner gel nätverk, materialegenskaper förändras drastiskt med små förändringar till föreningen. Alla ändringar av strukturen på den kritiska gel punkten kan påverka slutprodukten4. Under dessa dynamiska övergångar, mjuka material har svag mekaniska egenskaper och mätningar som använder klassiskt experimentella tekniker kan vara inom mätning buller gräns5,6,7. Att redovisa detta, tekniker såsom microrheology, som är känslig i intervallet låg moduli (10-3 – 4 Pa), används för att karakterisera den svaga begynnande gel under dynamisk utveckling. Vissa material är känsliga för förändringar i mikrostrukturen på grund av yttre krafter, som presenterar en utmaning under karakterisering, eftersom överföring av material eller vätska kan påverka strukturen, och i slutändan de slutliga materialegenskaperna. För att undvika att ändra mikrostrukturen i material, har vi utvecklat en mikroflödessystem enhet som kan byta miljö vätskan runt ett prov samtidigt som de minimerar skjuvning. Genom att utbyta den flytande miljön, mäts valutakursförändringar reologiska egenskaper och mikrostruktur under fasövergångar med minimal bidrag från skjuvning. Enheten är kombinerad med flera partikel spårning microrheology (MPT) i en teknik som kallas µ2reologi. Denna teknik används till att kvantifiera materialegenskaper under i följd av en gel som svar på en yttre drivkraft. Tekniken kommer att illustreras med en fibrös kolloidal gel, hydrerad ricinolja (HCO)9,10,11.
Gel ställningar kan genomgå förändringar i föreningen och dissociation på grund av deras prov miljö12,13,14,15. Drivkraften för gelation och nedbrytning är materialet särskilda och måste skräddarsys för varje material av intresse. µ2reologi kan användas för att karaktärisera gel system som svarar på yttre stimuli, inklusive kolloidalt och polymera nätverk. Förändra pH, osmotiska trycket eller salt koncentration är exempel på drivkrafter som kan framkalla förändringar i materiella mikrostrukturen. Till exempel genomgår HCO kontrollerad fasövergångar genom att skapa en osmotiska trycket lutning. När en koncentrerad HCO gel prov (4 wt % HCO) är nedsänkt i vatten, försvaga de attraktiva krafterna mellan kolloidala partiklar orsakar försämring. Alternativt, när en utspädd lösning av HCO (0,125 wt % HCO) kontaktas med hydrofila material (kallad geleringsmedel och består av mestadels glycerin och tensid), de attraktiva krafter avkastning, orsakar gelation. Denna gel system används för att Visa driften av enheten som ett verktyg för mätning i följd fasövergångar på ett enda prov9,10. För att karaktärisera dessa gel ställningar under dynamiska övergångar och delikat begynnande gel strukturen på kritisk fas övergången, använder vi MPT för att karakterisera dessa material plats och tid med hög upplösning.
Microrheology används för att bestämma gel egenskaper och struktur, särskilt vid kritiska övergången, av en array av mjuka material, inklusive kolloidalt och polymera geler5,6,9,16. MPT är en passiv microrheological teknik som använder video mikroskopi till post den Brownsk rörelsen av fluorescerande sonden partiklar som är inbäddad i ett prov. Partikel positioner i hela videor bestäms exakt till inom 1/10th av en pixel med klassiskt spårning algoritmer17,18. Ensemblen i genomsnitt mean-squared deplacement (MSD, (Δr2(t))) beräknas från dessa partikel banor. MSD är relaterad till materialegenskaper, t.ex krypning, använder den generaliserade Stokes-Einstein Relation17,19,20,21,22, 23. Tillståndet för materialet bestäms genom att beräkna logaritmisk lutningen på kurvan MSD som en funktion av fördröjning, α,
där t är fördröjning och jämföra det med kritiska avkoppling exponenten, n. n bestäms med hjälp av tid-cure superposition, en väldokumenterad teknik som ändrades för att analysera MPT data av Larsen och Furst6. Genom jämförelse av n till α bestäms delstaten materialet kvantitativt. När α > n materialet är en sol, och när α < n materialet är en gel. Tidigare arbeten har präglat HCO systemet använder microrheology för att bestämma de kritiska avkoppling exponent9. Med den här informationen bestämma vi exakt när materialet övergångar från en gel till en sol under ett experiment. Dessutom kan icke-Gaussisk parametern, αNG, beräknas för att avgöra omfattningen av strukturella heterogeniteten i ett system,
där Δx(t) är endimensionella partikel rörelsen i x riktning. Använda MPT, vi kan karakterisera en enfas övergång, men genom att karaktärisera material med MPT i en mikroflödessystem enhet, vi kan manipulera omgivningen vätska och samla in data av flera fasövergångar på ett enda gel urval.
Mikroflödessystem enheten är utformad för att undersöka de kritiska övergångarna provvikt enda gel som genomgår fas förändringar som svar på förändringar i den omgivande vätska miljön. Enheten byter vätska som omger provet när det är antingen i tillståndet gel eller sol genom att låsa provet för att framkalla en fasövergång samtidigt minimera skjuvning. En solvent bassäng ligger direkt ovanför den provkammare, som förbinds av sex symmetriskt fördelade inlopp kanaler. Denna symmetri möjliggör utbyte av vätska från lösningsmedel bassängen till provkammaren samtidigt skapa lika tryck runt provet, låsa den på plats. Det har gjorts flera studier som använder denna teknik för enskild partikel och DNA svällning, men detta arbete skalar upp volymen från enstaka molekyler till prover som är cirka 10 µL24,25,26. Denna unika design gör det också möjligt för realtid microrheological karakterisering under fasövergångar.
µ2reologi är en robust teknik som gäller för många mjuk materia system. Tekniken som beskrivs i detta dokument var avsedd för kolloidal geler, men det kan enkelt anpassas till andra material såsom polymer eller micellar lösningar. Med denna teknik, vi bestämmer inte bara hur fasövergångar påverkar jämvikt materialets egenskaper, men också hur olika bearbetningsstegen kan ha bestående effekter på de reologiska evolutionen av materialet och den slutliga byggnadsställning strukturen och egenskaper.
Två-lagers mikroflödessystem enheten (figur 1) kan göras enkelt med följande väldokumenterade mikroflödessystem fabrication teknik29. Glas stöder läggs till botten av enheten för att minska vibrationella effekter på sonden rörelse. Glasskiva är mycket tunn (0,10 mm) för att rymma arbetsavstånd Mikroskop målet. Detta gör enheten utsätts för små vibrationer i byggnaden och prov miljö som mäts sedan med höghastighets kamera. Glas stöder förneka fr…
The authors have nothing to disclose.
Finansiering för detta arbete lämnades av Procter & Gamble Co. och American Chemical Society Petroleum forskningsfonden (54462-DNI7). Bekräftelsen görs till givarna av amerikanska kemiska samhället Petroleum forskningsfonden för delvis stöd av denna forskning. Författarna vill erkänna Dr Marco Caggioni för bra diskussioner.
150 x 15 mm Petri Dish | Corning, Inc. | 351058 | |
75 x 50 x 0.15 mm glass slide | Fisher Scientific | Custom | |
75 x 50 x 1.0 mm glass slide | Fisher Scientific | 12-550-C | |
75 x 25 x 1.0 mm glass Slide | Fisher Scientific | 12-550-A3 | |
22 x 22 Glass cover slips | Fisher Scientific | 12-542-B | |
Acetone, 99.5% | VWR Analytical | 67-64-1 | |
Low intensity UV source | UVP | UVL-56 | |
Chloroform, 99.9% | Fisher Chemical | C298-500 | |
Cotton Swabs | Q-tips | 83289205 | |
Ethanol, 90% | Fisher Chemical | A962-4 | |
Fluoresbrite® YG Carboxylate Microspheres 0.50µm | Polysciences, Inc. | 15700-10 | |
High-Intensity UV Lamp | Spectroline Corp. | SB-100P | |
Hot plate | Corning, Inc. | PC-420 | |
Hydrochloric Acid, 6N | Ricca Chemical Company | 3750-32 | |
Methyltriethyoxysilane, 98% | Acros Organics | 174622500 | |
Microcentrifuge | Eppendorf | 5424 | |
Plasma cleaner | Harrick Plasma, Inc. | PDC-32G | |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | Robert McKwown Company | 2065622 | |
Sonicator | Branson, Emerson Electric | 1800 | |
Steel connectors, ID 0.023 inch | New England Small Tube Corp. | Custom | |
Tetraethoxysilane, 98% | Alfa Aesar | A14965 | |
Thiol-ene Resin (UV curable) | Norland Products, Inc. | NOA81 | |
Transparency | Staples Inc. | 21828 | |
Tygon tubing, ID 1/32 inch | McMaster-Carr | E-3603 | |
Vacuum oven | Fisher Scientific | 282A | |
Biopsy punch 8 mm | World Precision Instruments | 504535 | |
Bioposy punch 0.5 mm | World Precision Instruments | 504528 | |
Syringe, 30 mL | BD | 309659 | |
Syringe, 3 mL | BD | 309651 | |
Needle, 18 gauge | BD | 305195 | |
Microcentrifuge tube, 1.5 mL | Eppendorf | 22-36-320-4 | |
High-speed Camera | Vision Research | Miro M120 | |
Microscope | Carl Zeiss AG | Zeiss Observer, Z1 | |
Syringe pump | New Era Pump Systems | NE-300 | |
Hydrogenated castor oil | Procter & Gamble | N/A | |
Afício MP 6002 Printer | Ricoh Company, Ltd. | 415877 |