由充满液体的微小聚合物微粒组成的微凝胶悬浮液在液体和固体之间的某种物理状态下处于奇怪的状态，使其具有独特的性能，并在自愈结构，光学活性材料，微反应器，药物递送系统和用于再生的模板中具有潜在的用途骨骼和肌肉等生物结构。
佐治亚理工学院的研究人员使用大规模计算机模拟，现在已经绘制出这些复杂的粒子溶剂系统令人惊讶的行为和力学原理，了解了“软黏糊状”粒子是如何变形，膨胀，消肿和渗透的。彼此反应，因为他们对压缩的反应。这些发现可以帮助指导具有独特和有用特性的基于微凝胶的应用的设计。
佐治亚理工大学乔治·伍德拉夫机械工程学院的教授兼安德勒学院院士亚历山大·亚历山大(Alexander Alexeev)说：“我们希望广泛地理解如果将它们放在一起并开始压缩它们会发生什么情况。” “不同于填充可用空间然后停止压缩的刚性颗粒，这些颗粒具有在悬浮液内部可以并行工作的多个过程。微凝胶可以改变形状，收缩和互相渗透。我们发现，当改变时，这些过程起着不同的作用。您可以增加粒子数密度并将其充分压缩。”
这项研究的结果于10月19日发表在《美国国家科学院院刊》上。该研究得到了美国国家科学基金会(NSF)和MCIU / AEI / FEDER EU的支持，并且模拟利用了NSF的极限科学和工程发现环境。
使用中尺度计算机模拟，研究人员研究了在不同的装填分数和溶剂条件下，由具有不同结构的移相微凝胶组成的压缩混悬液的行为。他们发现，在压缩状态下，“蓬松的”微凝胶(类似于带有从其延伸出的聚合物丝的细海绵)会改变形状和收缩，而颗粒之间的互穿性却有限。
巴塞罗那大学凝聚态物理系ICREA教授和佐治亚理工学院物理学院的兼职教授Alberto Fernandez-Nieves说：“您可以利用它们的柔软性和它们改变形状的事实来包装更多的东西。” “有各种各样的机制可以将它们包装成可用的体积，并且这些机制可能会根据情况发挥不同的作用。在进行这项研究之前，我们还不知道如何将微凝胶以随机密堆积的方式包装在一起。 ”
与常规胶体悬浮液中的硬颗粒不同，它们释放溶剂的能力使微凝胶收缩和变形。另外，聚合物丝线允许它们相互渗透和重叠，以将更多的颗粒填充到给定的空间中。微凝胶颗粒的尺寸范围从50纳米到最大10微米。在模拟中，Alexeev，Fernandez-Nieves和最近的博士学位。研究生Svetoslav Nikolov研究了含有约100个微凝胶颗粒的悬浮液。
Fernandez-Nieves说：“它们的可压缩性是其他软颗粒中不存在的一种新成分，它可以带来这些微凝胶系统的迷人之处和独特之处。” “这项研究为我们提供了信息，我们需要利用这种软性来实现我们原本无法做到的事情。”
模拟提供了有关变量(如溶剂类型和压缩程度)对悬浮液中微凝胶机械性能的影响的信息。
“如果您查看悬浮液在不同溶剂中的机械性能，您会发现曲线非常不同，” Alexeev说。“如果它们溶胀，它们就会蓬松，并且可以在悬浮液中移动。如果它们排出溶剂，它们几乎会变干，因此机械性能会发生巨大变化。我们发现的结果令人惊讶，根本没有人们所期望的。”
在关键的基本发现中，可以根据单个微凝胶的体积模量来量化悬浮液的机械性能。Fernandez-Nieves说：“当悬浮液充分浓缩时，这些颗粒的压缩方式决定了整个悬浮液的材料性能。”
他补充说：“您可以有许多种不同的行为，但是当您通过一种微凝胶的实际可压缩性来缩放所有行为时，所有行为都会融合在一起。” “这意味着该数量似乎是理解悬浮液宏观性能的重要考虑因素。”
研究人员使用NSF的极限科学和工程发现环境来模拟微凝胶系统。Alexeev指出，虽然普通的基于颗粒的系统的行为似乎很容易研究，但微凝胶的可压缩性以及聚合物交联的复杂性使模拟变得相当大。
他说：“单个粒子已经是一个非常复杂的系统。” “计算的复杂性提供了我们希望鼓励实验者进一步探索这些独特系统可以做什么的发现。”
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