Microscopic dynamics and stress relaxation in aging colloidal gels with tunable inter-particle interactions

Colloidal systems with tunable interaction potential are at the core of new technologies in material science. These systems often organize into soft gel structures that have important applications in food, cosmetic and detergent industries. However, their restructuring dynamics is not fully understood yet. Indeed, these gels progressively age in time with a time-intermittent and spatially heterogeneous behaviour. To investigate such a complex dynamics, I have studied suspensions of fluorinated particles, stabilized with polymers bonded on their surface, that can be driven to gelation by changing the temperature of the solvent, which induces strong short-ranged attractive forces between the particles. These physical gels are characterized by reversible bonds, whose energy is in the order of the thermal energy. To investigate their aging, I have exploited an optical correlation technique, Photon Correlation Imaging, which combines the advantages of scattering methods with the spatial resolution of imaging. In particular, I have observed that at temperatures slightly higher than the onset of gelation, the gel displays sudden rearrangements of the structure. While the gel ages these micro-quakes, which are forerun by an acceleration of the microscopic dynamics, occur with a power-law distribution in time. Conversely, well above the gelation temperature, these events seem to be randomly distributed in time and are not anticipated by any substantial change in the gel dynamics.This evidence suggests that a deeper quench into the gel region turns the gel from a plastic to a more fragile structure. Finally, the gels also display memory of the temperature at which gelation process took place, parameter which characterizes the intensity of the stresses accumulated in the structure. Theoretical and numerical models in the recent literature also suggest that the temperature increase leads to a noticeable change in the mechanism leading to these rearrangements.

I sistemi colloidali in cui è possibile regolare il potenziale di interazione sono al centro delle nuove tecnologie dei materiali. Questi sistemi spesso si organizzano in gel soffici che hanno importanti applicazioni nell’industria alimentare, cosmetica e dei detergenti. Nonostante ciò, la loro dinamica di ristrutturazione non è ancora del tutto compresa. Infatti, questi gel mostrano un progressivo invecchiamento, con un comportamento intermittente nel tempo e spazialmente eterogeneo. Per investigare questa dinamica così complessa, ho studiato sospensioni di particelle fluorurate, stabilizzate con polimeri legati alla loro superficie, che possono essere gelificate tramite la variazione della temperatura del solvente, che induce forze attrattive forti e a corto raggio tra le particelle. Questi gel “fisici” sono caratterizzati da legami reversibili, la cui energia è nell’ordine dell’energia termica. Per investigare il loro invecchiamento, ho utilizzato una tecnica di correlazione ottica, nota come Photon Correlation Imaging, che combina i vantaggi dei metodi di scattering con la risoluzione spaziale dell’imaging. In particolare, ho osservato che a temperature poco più alte di quella di transizione, il gel mostra improvvisi riarrangiamenti della struttura. Mentre il gel invecchia, questi “micro-terremoti”, che sono preceduti da un’accelerazione della dinamica microscopica, sono distribuiti nel tempo con una legge di potenza. Al contrario, a temperature molto più alte di quella di transizione, questi eventi sembrano essere distribuiti casualmente nel tempo e non anticipati da un sostanziale cambiamento nella dinamica del gel. Questa evidenza suggerisce che l’aumento della temperatura a cui il gel si genera trasforma quest’ultimo da una struttura più plastica in una più fragile. Infine, il gel mostra anche una memoria della temperatura a cui il processo di gelificazione è avvenuto, parametro che caratterizza l’intensità degli stress accumulati nella struttura. Recenti modelli teorici e numerici in letteratura suggeriscono anche che l’aumento di temperatura porta ad un notevole cambiamento nel meccanismo alla base di questi riarrangiamenti.