作者:约翰·图恩，佐治亚理工学院 溶胀微凝胶颗粒的模拟快照
(上)具有均匀交联分布的微凝胶，和(下)具有高斯交联分布的微凝胶
信用:佐治亚理工学院 由微小的充液聚合物颗粒组成的微凝胶悬浮液占据了介于液体和固体之间的奇特物理状态，使其具有独特的性质，并有可能用于自愈合结构、光学活性材料、微反应器、药物输送系统以及再生骨和肌肉等活体结构的模板
佐治亚理工学院的研究人员利用大规模计算机模拟，现已绘制出这些复杂粒子-溶剂系统的令人惊讶的行为和力学，了解“软而粘”的粒子在压缩时是如何变形、膨胀、退胀和相互渗透的
这些发现有助于指导基于微凝胶的具有独特和有用特性的应用的设计
佐治亚理工学院教授兼安德勒学院研究员亚历山大·阿莱克谢耶夫说:“如果你把这些粒子放在一起并开始压缩它们，我们想大致了解它们会发生什么。”
伍德拉夫机械工程学院
“与填满可用空间然后停止压缩的刚性粒子不同，这些粒子有多个过程，可以在悬浮液中并行工作
微凝胶可以改变形状，收缩，并相互渗透
我们发现，当你增加粒子数密度并充分压缩它们时，这些过程会发挥不同的作用
" 这项研究的发现发表在10月19日的《美国国家科学院院刊》上
这项研究得到了美国国家科学基金会和MCIU/美国航空工业协会/联邦快递欧盟的支持，模拟利用了美国国家科学基金会的极端科学和工程发现环境
利用中尺度计算机模拟，研究人员研究了由不同结构的变形微凝胶组成的压缩悬浮液在不同填充分数和溶剂条件下的行为
他们发现，在压缩状态下，“蓬松的”微凝胶——类似于有聚合物线从中延伸出来的微观海绵——会改变形状并收缩，颗粒之间的相互渗透有限
“你可以利用它们的柔软和它们改变形状的事实来包装它们，”阿尔韦托·费尔南德斯·尼维斯说，他是巴塞罗纳大学凝聚态物理系的ICREA教授，也是佐治亚理工学院物理学院的兼职教授
“有多种机制可以将它们打包到可用的卷中，这些机制可能会根据情况发挥不同的作用
在这项研究之前，我们不太清楚除了随机紧密堆积之外，微凝胶是如何被堆积在一起的
" 与常规胶体悬浮液中的硬颗粒不同，它们释放溶剂的能力使微凝胶收缩和变形
此外，聚合物线允许它们相互渗透和重叠，以将更多的颗粒填充到给定的空间中
微凝胶颗粒的尺寸范围从50纳米到直径10微米
在他们的模拟中，阿莱克谢耶夫、费尔南德斯·尼夫斯和最近的博士
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研究生斯韦托斯拉夫·尼科洛夫研究了含有大约100个微凝胶颗粒的悬浮液
“它们的可压缩性是一种新的成分，在其他软颗粒中不存在，它可以带来这些微凝胶系统的迷人和独特的方面，”费尔南德斯·尼维斯说
“这项研究为我们提供了信息，我们需要利用这种柔软度来实现我们否则无法实现的目标
" 模拟提供了关于诸如溶剂类型和压缩程度等变量对悬浮液中微凝胶的机械性质的影响的信息
“如果你观察悬浮液在不同溶剂中的机械性能，你会发现曲线非常不同，”阿莱克谢耶夫说
“如果它们肿了，它们是蓬松的，可以在悬挂物中四处移动
如果它们排出溶剂，它们会变得几乎干燥，因此机械性能会发生显著变化
我们的发现令人惊讶，完全出乎人们的意料
" 关键的基本发现之一是，悬浮液的机械性能可以用单个微凝胶的体积模量来量化
“当悬浮液充分浓缩时，这些颗粒如何压缩决定了整个悬浮液的材料性质，”费尔南德斯·尼维斯说
“你可以有许多不同种类的行为，但是当你用一个微凝胶的实际可压缩性来衡量所有的行为时，所有的行为都会聚集在一起，”他补充道
“这意味着这个量似乎是理解悬浮液宏观性质的重要因素
" 研究人员使用国家科学基金会的极端科学和工程发现环境来模拟微凝胶系统
阿莱克谢耶夫指出，虽然普通粒子系统的行为似乎很容易研究，但微凝胶的可压缩性加上聚合物交联的复杂性使得模拟相当大
“单个粒子已经是一个相当复杂的系统，”他说
“计算复杂性提供了一些发现，我们希望这些发现将鼓励实验学家进一步探索这些独特的系统能做些什么
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