Geelid on mikroskoobi all kui vedelad katedraalid
Törts juuksegeeli ei pruugi eriti märkimisväärne välja näha, ent USA Michigani ülikooli tehnoloogiateaduskonna uurijad on avastanud, et selle koostisosakesed moodustavad kambrite ja kuplite keerulise labürindi. Nood tarindid võimaldavadki geelil kuju säilitada ja määravad, kui suurt rõhku geel talub, enne kui voolama hakkab.
Seni on tootjad täpselt soovitud määral tahkeid geele arendanud katse-eksituse meetodil. Värske avastus võib panna aluse uudsele viisile konkreetseid rakendusi silmas pidades „konstrueeritavate“ geelide loomiseks.
Geelid leiavad nüüdisajal rakendust mujalgi kui juuksetoodete koostises või jalatsite sisetaldades. Näiteks saab nende abil korrigeerida kaamera värisevat liikumist; kõrgtehnoloogiliste sidemete koostisse lisatud geel võimaldab haavalt kas kiiresti niiskust eemaldada või seda hoopis kuivamast takistada. Kuid isegi selliseid spetsiifiliste omadustega geele välja töötades ei ole uurijad mõistnud elementaarseid reegleid, mis määravad, kuidas osakesed geelis seda — eriti rõhu all — tahkemaks muudavad.
Geelid on vedelikud, mis sisaldavad osakeste võrgustikke, selgitas keemiatehnoloogia doktorand Lilian Hsiao. „Neid iseloomustab ebatavaline kombinatsioon tahkete ja vedelate ainete omadustest, nagu oleks neisse monteeritud tillukesed vedrud, mistõttu geelid säilitavad hästi vormi, aga võivad rõhu all ka voolata,“ rääkis ta.
Hsiao töörühm keemiatehnoloogia professori Michael Solomoni juhtimisel uuris geelide sisetarindite toimimise iseärasusi katsete ja raalmudelite toel. Uurijad ammutasid innustust arhitektuurilistest tugisammastest ja -sõrestikest, näiteks sellistest, mida võib kohata raudteesildade, Firenze Santa Croce basiilika ning geodeetiliste kuplite ja muude sarnaste nn pingstruktuuride (ingl tensegrity structure) juures.
„Võtsime aluseks midagi, mida oli võimalik vaadelda, millel oli võimalik seista, kohaldasime vastavaid struktuuripõhimõtteid geelidele ja leidsime korrelatsiooni selle vahel, kui suurt pinget need struktuurid taluvad, ning selle vahel, kuidas tugisõrestikud geelides paiknevad,“ selgitas Hsiao.
Küsimuse peale, kuidas aine struktuur selle tahkuse määraga seondub, tuli uurijate töörühm katsete ajel, milles Hsiao mõõtis geelide „lagunemist“ ja voolamist. Koos keemiatehnoloogia doktorandi Richmond Newmaniga koostas Hsiao geelistruktuuride ruumilised, osakeste-tasandi täpsusega kaardid. Uurijad täheldasid, et mida killustunum oli struktuur, seda vedelam oli geel.
Seejärel viidi läbi katsesari geelide tahkuse mõõtmiseks. Samal ajal koostas töörühm keemiatehnoloogia professori Sharon Glotzeri juhtimisel simulatsioone, mis näitasid, kui suures osas koosneb iga geel jäikadest tarinditest. Simulatsioonides ilmnesid katedraalide katuseid toetavatele tarinditele sarnased tugistruktuuri-mustrid. Katsesarjade tulemusi võrreldes märkasid teadlased, et geelide tahkuse määra on võimalik selles sisalduvate jäikade tarindite osakaalu alusel prognoosida.
„Kõigist geelis sisalduvatest osakestest määrab lõpuks vaid väike osa — need, mis moodustavad mikroskoopilisi jäiku struktuure — selle, kui tahke materjal on,“ märkis Solomon. Ehkki jäikadesse struktuuridesse koondub vaid umbes kümme protsenti geeli moodustavatest osakestest, trotsivad just need igasugust geelile avaldatavat survet, selgitas ta.
Geelidele eriti spetsiifilisi pooltahkeid omadusi omistada üritades muudavad tootjad praegu keerulisi retsepte, mille järgi hulgaliselt osiseid kokku segatakse. Näiteks võidakse segus sisalduvate osakeste osakaalu suurendada või lisada sellele osakesi, mis tõenäolisemalt rühmituvad. Värsked tulemused võivad seda protsessi oluliselt lihtsustada. Retsepti muutmise asemel on nüüd võimalik välja selgitada, milline osakestestruktuur annab materjalile soovitud tahkuse ning valida seejärel vastava struktuuri moodustamiseks vajalikud osakesed.
Solomoni hinnangul on geelidel oluline roll farmaatsiatööstuses selliste vedelate ravimite tootmisel, mis võimaldavad manustada täpselt usaldusväärseid annuseid, ning põllumajanduses, kus põllu ühtlane katmine pihustatud taimekaitsevahendiga on kriitilise tähtsusega. Struktuur säilitab aktiivsete mõjuainete ühtlase jaotuse geelis. Spetsiaalseid geele läheb tarvis ka muudes kiirestiarenevates valdkondades nagu ruumiline printimine. Keraamilisi või metalliosakesi sisaldavad geeltindid võimaldavad printida keerukaid kolmemõõtmelisi struktuure.
„Otsekirjutus-trükivärvidel (ingl direct-write ink) peab olema väga spetsiifiline voolavuse määr. Meie uurimus on nende trükivärvidega töötavate teadlaste töörühmadele abiks,“ märkis Solomon.
Uurimuse tulemused ilmusid ajakirja Proceedings of the National Academy of Sciences viimatises numbris.
