Optothermal effects on soft disordered solids

Soft disordered solids gained the spotlight in the last decades due to their scientific interest and technological applications. Among those, physical hydrogels display a very peculiar set of features due to the relatively low binding energies (of the order of the thermal energy) involved, for which although they form quasi-arrested mechanically solid structures, bonds are dynamically formed and disrupted, allowing for rearrangements of their internal structure that are the roots of many interesting properties, such as their innate self-healing ability. Understanding and tuning such restructuration events is therefore of the utmost importance, especially towards such class of materials, for which a proper functionalization of their response to external stimuli stands at the very roots of most of their applications in biotechnological or pharmaceutical fields. Within this thesis, we aim at determining the role of optothermal stimulation on the behaviour of soft physical gels, and we mainly do it by studying Mebiol® (a transparent and thermoreversible physical hydrogel of biotechnological interest) through a Photon Correlation Imaging (PCI) setup. We first characterize the temperature behaviour of Mebiol® gel’s dynamics and its response to rapid heating. Then local heating is performed by exploiting an infrared laser beam. This gives rise to a very peculiar set of optothermal effects, revolving around the formation of a visible and only partially reversible lens within the Mebiol sample, accompanied by a very peculiar transmitted far-field diffraction pattern consisting of concentric rings akin to the ones observed within strongly nonlinear optical media. Time evolution and temperature dependence of such phenomena is studied, showing that timescales ruling this pattern are orders of magnitude larger than the ones characterizing analogous phenomena observed in literature.

In virtù delle loro peculiarità e delle possibili applicazioni che da esse derivano, i solidi soffici disordinati rivestono un ruolo di rilievo nel panorama attuale della ricerca scientifica. Tra questi, gli idrogeli fisici manifestano caratteristiche uniche come conseguenza delle deboli energie di legame coinvolte (dell’ordine dell’energia termica): infatti, sebbene possano formare strutture arrestate, quindi solide da un punto di vista meccanico, i nodi che le rendono possibili sono continuamente distrutti e rigenerati, in un processo dinamico che consente alla loro struttura interna di riorganizzarsi. Ciò è alla base di molte proprietà loro caratteristiche, quali l’innata capacità di auto-ripararsi. Un’accurata comprensione della dinamica interna e dei meccanismi con cui influenzarla è perciò un obiettivo della massima importanza, specialmente per una classe di materiali come questa, che deve gran parte delle sue applicazioni, specialmente in campo biotecnologico e farmaceutico, proprio alla possibilità di funzionalizzarne la risposta a dati stimoli. In questo lavoro di tesi, si intende indagare il ruolo di gradienti termici sulla meccanica di gel fisici soffici; principale oggetto di studio è il materiale noto come Mebiol® (un copolimero a blocchi termoresponsivo capace di gelare reversibilmente in un idrogelo trasparente), indagato mediante una tecnica di correlazione ottica nota come "Photon Correlation Imaging". Innanzitutto, viene caratterizzato il comportamento del Mebiol a diverse temperature, così come la sua risposta a un riscaldamento rapido. Quindi, attraverso l’impiego di un laser infrarosso, viene indotto un gradiente termico localizzato. Ciò origina una serie di effetti optotermici di rilievo, caratterizzati dalla formazione di una lente solo parzialmente reversibile all’interno del campione. Questo si accompagna alla comparsa di una particolare figura di diffrazione in campo lontano, che consta di una serie di anelli concentrici del tutto analoghi a quelli osservati per effetto di forti nonlinearità ottiche. Il successivo studio della dinamica temporale e della dipendenza dalla temperatura di questi fenomeni rivela tuttavia scale temporali di ordini di grandezza maggiori rispetto a quelle che caratterizzano fenomeni analoghi fin’ora descritti in letteratura.