Dinamica microscopica di gel fisici : un sistema colloidale modello

The possibility of tuning the interparticle interaction potential is one of the most interesting features of colloidal systems. In my thesis, I have considered a special kind of colloidal particles, made of a fluorinated polymer and sterically stabilized by surface-bonded polymeric chains, which shield the van der Waals attractive forces between the particles, preventing them from sticking. Yet, the affinity for water of the stabilizing layer worsen by raising the temperature, and this allows to introduce tunable attractive interparticle interactions. At sufficiently high T, these attractive forces become so strong that a phase separation in a particle-rich and a particle-poor phase takes place. Due to the short-range nature of the attractive forces, however, the phase separation process gets arrested, and the system ‘freezes’ into a tenuous solid with the properties of a ‘physical’ gel, namely a disordered network where the interparticle bond energy is of the order of kBT. Physical gels are characterized by a spatially heterogenous and temporally intermittent microscopic dynamics leading to strong spontaneous restructuring effects. To investigate this complex dynamics, I have exploited a novel optical technique, Photon Correlation Imaging (PCI), which combines the power of scattering methods with the spatial resolution of optical microscopy, and I developed a suitable algorithm to extract the spatially-resolved degree of dynamic temporal correlation. This approach allowed me to highlight the occurrence and investigate the features of sudden structural rearrangements. The time interval between two of these peculiar ‘micro-quake’ events, which start from a given location in the gel and rapidly span through the whole gel, increases as a power law of the gel aging time. This evidence is consistent with a model where the gel rearrangement is caused by the sudden release of local stresses that get frozen in by the rapid phase separation process.

La possibilità di regolare il potenziale d'interazione tra le particelle è una delle caratteristiche più interessanti dei sistemi colloidali. Nella mia tesi, ho considerato una tipologia particolare di particelle, costituite da un polimero fluorurato e stabilizzate stericamente da catene polimeriche, legate alla loro superficie. Tali catene schermano le forze attrattive di van der Waals tra le particelle, impedendo che esse aderiscano. L'affinità con l'acqua di questo strato stabilizzante peggiora alzando la temperatura, e ciò permette d'introdurre forze attrattive regolabili tra le particelle. A T sufficientemente elevata, tali forze attrattive diventano così intense da indurre una separazione in una fase ricca ed in una povera di particelle. Però, a causa del corto raggio d’interazione di tali forze, il processo di separazione di fase viene arrestato, e il sistema si ‘congela’ formando un solido soffice, con le proprietà di un gel ‘fisico’, ovvero un reticolo disordinato dove l’energia di legame tra le particelle è dell’ordine di kBT. I gel fisici sono caratterizzati da una dinamica microscopica spazialmente eterogenea e temporalmente intermittente, che porta a forti effetti ristrutturativi spontanei. Per investigare questo complesso comportamento dinamico, ho sfruttato una nuova tecnica ottica, la Photon Correlation Imaging (PCI), che combina le potenzialità delle tecniche di scattering alla risoluzione spaziale della microscopia ottica. Inoltre, ho sviluppato un algoritmo per ottenere il grado di correlazione temporale della dinamica, spazialmente risolto. In questo modo ho potuto rivelare la presenza e investigare le caratteristiche di improvvisi riarrangiamenti strutturali. L’intervallo temporale tra due di questi ‘micro-terremoti’, che iniziano da una certa regione del gel per poi espandersi rapidamente in tutto la struttura, aumenta come una legge di potenza dell’età del gel. Le evidenze riscontrate sono coerenti con un modello in accordo col quale i riarrangiamenti nel gel sono causati dall’improvviso rilascio di stress localizzati, generatisi durante il rapido processo di separazione di fase.