Photon correlation Imaging study of the microrheological properties of physical gels

The characterization of the rheological properties of materials is a fundamental aspect of the field of research of soft matter, which concerns the study of materials featured by typical binding energies between constituents of the order of the thermal energy, kBT. Due to this characteristic, soft matter shows typical properties common to both viscous fluids and elastic solids, and therefore it falls into the class of viscoelastic materials, which are the subject of rheological analysis. In particular, the aim of this thesis work is to perform a microrheological analysis of a polymeric physical gel, known as Mebiol®, to retrieve its viscoelastic properties. Physical gels are included in the class of soft matter, and therefore their constituents are featured by a relatively low binding energy, resulting in a dynamic where continuous destructions and reconstructions of the bonds between constituents appear, giving rise to a quasi-arrested phase. More specifically, aqueous solutions of Mebiol® form biocompatible thermoreversible hydrogels, which are of great interest in many different applications. The microrheological analysis investigates the viscoelastic properties of the sample through the evaluation of the thermally-driven motion of particles embedded within the medium, which, in turn, is obtained through the detection of the intensity fluctuations of the light scattered from the sample, employing a modern optical technique known as, Photon Correlation Imaging (PCI). For this purpose, the experimental setup implemented and the methodology used are illustrated for the subsequent analysis of the experimental data, as well as the calculation algorithms through from which the rheological properties of the medium are obtained.

La caratterizzazione delle proprietà reologiche dei materiali è un aspetto fondamentale del campo di ricerca della materia soffice, ovvero nello studio di tutti quei materiali in cui l’energia di legame tra i costituenti è dell’ordine dell’energia termica, kBT. Quest’ultima caratteristica fa sì che i materiali soffici presentino delle proprietà comuni sia ai fluidi viscosi che ai solidi elastici, detti perciò materiali viscoelastici, che sono proprio oggetto delle analisi reologiche. In particolare, l’obiettivo di questo lavoro di Tesi risiede nell’effettuare un’analisi microreologica di un gel fisico polimerico, noto come Mebiol®, per ricavarne le proprietà viscoelastiche. I gel fisici fanno parte dei materiali soffici di cui sopra, e, perciò, la relativamente bassa energia di legame tra costituenti produce una dinamica di continue rotture e ricostituzioni degli stessi legami, generando una fase quasi arrestata. Nello specifico, soluzioni acquose di Mebiol® hanno trovato grande interesse in diverse applicazioni in quanto esse formano un idrogel termoreversibile, con proprietà biocompatibili. L’analisi microreologica esamina le proprietà viscoelastiche del campione attraverso la valutazione del moto di agitazione termica di particelle disperse all’interno del mezzo, che, a sua volta, è ottenuto mediante la misurazione delle fluttuazioni d’intensità della luce diffusa dal campione attraverso una moderna tecnica ottica, nota come Photon Correlation Imaging (PCI). A tale scopo, è illustrato il setup sperimentale implementato, la metodologia utilizzata per la successiva analisi dei dati sperimentali, nonchè gli algoritmi di calcolo attraverso cui sono ricavate infine le proprietà reologiche del mezzo.