Microscopic dynamics of physical gels : a polymeric model system

Polymeric physical gels are a class of materials characterized by an arrested phase generated by a network of bonds with energy of the order of kBT between polymer chains. This Thesis work is developed on the analysis with an intensity correlation technique of the microscopic dynamics of a polymeric physical gel model system, commercially known as Mebiol Gel®. The analyses are guided by two preliminary experiments on macroscopic properties realized to have a proper characterization of the physical behaviour. Therefore, the first experiment is the determination of the phase diagram on the sol-gel transition, for which I have developed an experimental procedure to assess the transition temperature, and the second experiment is a turbidity analysis. Then, the characterization of the microscopic dynamics is carried out: I have built an experimental setup to use a novel technique called Photon Correlation Imaging (PCI) and implemented a procedure for the correct processing of the obtained pictures, before having them analyzed to obtain the intensity correlation function. The PCI analyses are performed on two different volumetric concentrations, 9% and 5%, where the former is the company given operating concentration and the latter is the higher concentration for which the system does not form a gel phase, as evaluated from the phase diagram experiment. The analyses were focused on the characterization of the different microscopic dynamics, from the liquid phase to the gel phase. Lastly, I apply a quenching procedure to the 9% solution above 40°C, in order to investigate the possibility of temporally heterogeneous dynamics. The results of the experiments have shown very rich behaviour, with interesting microscopic dynamics at different temperatures and concentrations. Furthermore, the quenching procedure highlighted signs of a temporally evolving dynamics, thus opening a path to further detailed analysis on temporally and spatially heterogeneity of the system.

I gel fisici polimerici sono una classe di materiali caratterizzati da una fase arrestata generata da un network di legami tra catene di polimeri aventi energia dell’ordine di kBT. Questo lavoro di Tesi si sviluppa sull’analisi tramite una tecnica di correlazione di intensità di un sistema modello di gel fisico polimerico, noto come Mebiol Gel®. Le analisi sono guidate da due esperimenti preliminari sulle proprietà macroscopiche, ottenendo un’adeguata caratterizzazione del comportamento fisico. Il primo esperimento è la determinazione del diagramma di fase relativo alla transizione sol-gel, per il quale ho sviluppato una procedura sperimentale per valutare la temperatura di transizione; il secondo esperimento è un’analisi di torbidità. Successivamente è analizzata la dinamica microscopica: ho costruito un setup sperimentale per l’utilizzo di una tecnica moderna chiamata Photon Correlation Imaging (PCI) e implementato una procedura per processare correttamente le immagini così ottenute, prima di analizzarle per ottenere la funzione di correlazione. Le analisi tramite PCI sono svolte su due concentrazioni volumetriche, 9% e 5%, dove la prima è la concentrazione operativa a cui l’azienda fornisce il gel, la seconda è la massima concentrazione a cui il sistema non forma il gel, misurata tramite l’esperimento sul diagramma di fase. Le analisi si focalizzano sulla caratterizzazione delle diverse dinamiche microscopiche, dalla fase liquida a quella di gel. Infine, ho applicato una procedura di quenching sul campione al 9% a temperature superiori a 40°C, per studiare la possibilità di una dinamica temporale eterogenea. I risultati ottenuti hanno mostrato un comportamento molto interessante, con una dinamica microscopica a diverse temperature e concentrazioni molto variabile. Inoltre, la procedura di quenching ha permesso di osservare effetti di una dinamica temporale in evoluzione, aprendo così la strada a nuove analisi sulla dinamica temporalmente e spazialmente eterogenea.