Cellulose nanocrystals (CNCs) are rodlike biosourced colloidal particles used as key building blocks in a growing number of materials with innovative mechanical or optical properties. While CNCs form stable suspensions at low volume fractions in pure water, they aggregate in the presence of salt and form colloidal gels with time-dependent properties. Here, we study the impact of salt concentration on the slow aging dynamics of CNC gels following the cessation of a high-shear flow that fully fluidizes the sample. We show that the higher the salt content, the faster the recovery of elasticity upon flow cessation. Most remarkably, the elastic modulus G′ obeys a time–composition superposition principle: the temporal evolution of G′ can be rescaled onto a universal sigmoidal master curve spanning 13 orders of magnitude in time for a wide range of salt concentrations. Such a rescaling is obtained through a time-shift factor that follows a steep power-law decay with increasing salt concentration until it saturates at large salt content. These findings are robust to changes in the type of salt and the CNC content. We further show that both linear and nonlinear rheological properties of CNC gels of various compositions, including, e.g., the frequency-dependence of viscoelastic spectra and the yield strain, can be rescaled based on the sample age along the general master curve. Our results provide strong evidence for universality in the aging dynamics of CNC gels and call for microstructural investigations during recovery as well as theoretical modeling of time–composition superposition in rodlike colloids.

1.
A. Z.
Nelson
,
K. S.
Schweizer
,
B. M.
Rauzan
,
R. G.
Nuzzo
,
J.
Vermant
, and
R. H.
Ewoldt
,
Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
23
,
100758
(
2019
).
2.
Y.
Cao
and
R.
Mezzenga
,
Nat. Food
1
,
106
(
2020
).
3.
M.
Diba
,
H.
Wang
,
T. E.
Kodger
,
S.
Parsa
, and
S. C. G.
Leeuwenburgh
,
Adv. Mater.
29
,
1604672
(
2017
).
4.
Q.
Wang
,
L.
Wang
,
M. S.
Detamore
, and
C.
Berkland
,
Adv. Mater.
20
,
236
(
2008
).
5.
E.
Del Gado
,
D.
Fiocco
,
G.
Foffi
,
S.
Manley
,
V.
Trappe
, and
A.
Zaccone
, “
Colloidal gelation
,” in
Fluids, Colloids and Soft Materials
(
John Wiley & Sons
,
2016
), Chap. 14, pp.
279
291
.
6.
D. Z.
Rocklin
,
L.
Hsiao
,
M.
Szakasits
,
M. J.
Solomon
, and
X.
Mao
,
Soft Matter
17
,
6929
(
2021
).
7.
B. G.
Compton
and
J. A.
Lewis
,
Adv. Mater.
26
,
5930
(
2014
).
8.
G.
Siqueira
,
D.
Kokkinis
,
R.
Libanori
,
M. K.
Hausmann
,
A. S.
Gladman
,
A.
Neels
,
P.
Tingaut
,
T.
Zimmermann
,
J. A.
Lewis
, and
A. R.
Studart
,
Adv. Funct. Mater.
27
,
1604619
(
2017
).
9.
M. K.
Hausmann
,
P. A.
Rühs
,
G.
Siqueira
,
J.
Läuger
,
R.
Libanori
,
T.
Zimmermann
, and
A. R.
Studart
,
ACS Nano
12
,
6926
(
2018
).
10.
M.
Bouzid
and
E.
Del Gado
, “
Mechanics of soft gels: Linear and nonlinear response
,” in
Handbook of Materials Modeling: Applications: Current and Emerging Materials
(
Springer International Publishing
,
2020
), pp.
1719
1746
.
11.
Y. M.
Joshi
and
G.
Petekidis
,
Rheol. Acta
57
,
521
(
2018
).
12.
D. A.
Weitz
and
M.
Oliveria
,
Phys. Rev. Lett.
52
,
1433
(
1984
).
13.
R. N.
Zia
,
B. J.
Landrum
, and
W. B.
Russel
,
J. Rheol.
58
,
1121
(
2014
).
14.
L.
Cipelletti
,
S.
Manley
,
R. C.
Ball
, and
D. A.
Weitz
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
2275
(
2000
).
15.
M.
Bouzid
,
J.
Colombo
,
L. V.
Barbosa
, and
E.
Del Gado
,
Nat. Commun.
8
,
15846
(
2017
).
16.
C.
Derec
,
G.
Ducouret
,
A.
Ajdari
, and
F.
Lequeux
,
Phys. Rev. E
67
,
061403
(
2003
).
17.
P.
Coussot
,
H.
Tabuteau
,
X.
Chateau
,
L.
Tocquer
, and
G.
Ovarlez
,
J. Rheol.
50
,
975
(
2006
).
18.
A.
Shahin
and
Y. M.
Joshi
,
Langmuir
28
,
15674
(
2012
).
19.
S.
Manley
,
B.
Davidovitch
,
N. R.
Davies
,
L.
Cipelletti
,
A. E.
Bailey
,
R. J.
Christianson
,
U.
Gasser
,
V.
Prasad
,
P. N.
Segre
,
M. P.
Doherty
,
S.
Sankaran
,
A. L.
Jankovsky
,
B.
Shiley
,
J.
Bowen
,
J.
Eggers
,
C.
Kurta
,
T.
Lorik
, and
D. A.
Weitz
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
048302
(
2005
).
20.
A. S.
Negi
and
C. O.
Osuji
,
Phys. Rev. E
80
,
010404
(
2009
).
21.
M.
van Gurp
and
J.
Palmen
,
Rheol. Bull.
67
,
5
(
1998
).
22.
R.
Larson
,
The Structure and Rheology of Complex Fluids
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
1999
).
23.
V.
Trappe
and
D. A.
Weitz
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
449
(
2000
).
24.
V.
Prasad
,
V.
Trappe
,
A. D.
Dinsmore
,
P. N.
Segre
,
L.
Cipelletti
, and
D. A.
Weitz
,
Faraday Discuss.
123
,
1
(
2003
).
25.
A.
Lu
,
U.
Hemraz
,
Z.
Khalili
, and
Y.
Boluk
,
Cellulose
21
,
1239
(
2014
).
26.
S.-T.
Huang
,
C.-H.
Yang
,
P.-J.
Lin
,
C.-Y.
Su
, and
C.-C.
Hua
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
23
,
19269
(
2021
).
27.
E. E.
Pashkovski
,
J. G.
Masters
, and
A.
Mehreteab
,
Langmuir
19
,
3589
(
2003
).
28.
V.
Adibnia
and
R. J.
Hill
,
Polymer
112
,
457
(
2017
).
29.
S.
Weir
,
K. M.
Bromley
,
A.
Lips
, and
W. C. K.
Poon
,
Soft Matter
12
,
2757
(
2016
).
30.
A. S.
Krishnan
,
S.
Seifert
,
B.
Lee
,
S. A.
Khan
, and
R. J.
Spontak
,
Soft Matter
6
,
4331
(
2010
).
31.
A. S.
Krishnan
and
R. J.
Spontak
,
Soft Matter
8
,
1334
(
2012
).
32.
S.
Costanzo
,
A.
Banc
,
A.
Louhichi
,
E.
Chauveau
,
B.
Wu
,
M.-H.
Morel
, and
L.
Ramos
,
Macromolecules
53
,
9470
(
2020
).
33.
M.
Mours
and
H. H.
Winter
,
Rheol. Acta
33
,
385
(
1994
).
34.
M.
Geri
,
B.
Keshavarz
,
T.
Divoux
,
C.
Clasen
,
D. J.
Curtis
, and
G. H.
McKinley
,
Phys. Rev. X
8
,
041042
(
2018
).
35.
B.
Keshavarz
,
D.
Gomes Rodrigues
,
J.-B.
Champenois
,
M. G.
Frith
,
J.
Ilavsky
,
M.
Geri
,
T.
Divoux
,
G. H.
McKinley
, and
A.
Poulesquen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
118
,
e2022339118
(
2021
).
36.
A. S.
Negi
,
C. G.
Redmon
,
S.
Ramakrishnan
, and
C. O.
Osuji
,
J. Rheol.
58
,
1557
(
2014
).
37.
A.
Rao
,
T.
Divoux
,
G. H.
McKinley
, and
A. J.
Hart
,
Soft Matter
15
,
4401
(
2019
).
38.
X. J.
Cao
,
H. Z.
Cummins
, and
J. F.
Morris
,
Soft Matter
6
,
5425
(
2010
).
40.
J. P. F.
Lagerwall
,
C.
Schütz
,
M.
Salajkova
,
J.
Noh
,
J.
Hyun Park
,
G.
Scalia
, and
L.
Bergström
,
NPG Asia Mater.
6
,
e80
(
2014
).
41.
D.
Klemm
,
E. D.
Cranston
,
D.
Fischer
,
M.
Gama
,
S. A.
Kedzior
,
D.
Kralisch
,
F.
Kramer
,
T.
Kondo
,
T.
Lindström
,
S.
Nietzsche
,
K.
Petzold-Welcke
, and
F.
Rauchfuß
,
Mater. Today
21
,
720
(
2018
).
42.
D.
Trache
,
A. F.
Tarchoun
,
M.
Derradji
,
T. S.
Hamidon
,
N.
Masruchin
,
N.
Brosse
, and
M. H.
Hussin
,
Front. Chem.
8
,
392
(
2020
).
43.
M. C.
Li
,
Q.
Wu
,
R. J.
Moon
,
M. A.
Hubbe
, and
M. J.
Bortner
,
Adv. Mater.
33
,
2006052
(
2021
).
44.
Y.
Habibi
,
L. A.
Lucia
, and
O. J.
Rojas
,
Chem. Rev.
110
,
3479
(
2010
).
45.
R. R.
Lahiji
,
X.
Xu
,
R.
Reifenberger
,
A.
Raman
,
A.
Rudie
, and
R. J.
Moon
,
Langmuir
26
,
4480
(
2010
).
46.
S.
Yucel
,
R. J.
Moon
,
L. J.
Johnston
,
B.
Yucel
, and
S. R.
Kalidindi
,
Cellulose
28
,
2183
(
2021
).
47.
Y.
Xu
,
A.
Atrens
, and
J. R.
Stokes
,
Adv. Colloid Interface Sci.
275
,
102076
(
2020
).
48.
F.
Cherhal
,
F.
Cousin
, and
I.
Capron
,
Langmuir
31
,
5596
(
2015
).
49.
K. R.
Peddireddy
,
I.
Capron
,
T.
Nicolai
, and
L.
Benyahia
,
Biomacromolecules
17
,
3298
(
2016
).
50.
A.
Abbasi Moud
,
M.
Kamkar
,
A.
Sanati-Nezhad
,
S. H.
Hejazi
, and
U.
Sundararaj
,
Cellulose
27
,
5729
(
2020
).
51.
Y.
Xu
,
A.
Atrens
, and
J. R.
Stokes
,
J. Colloid Interface Sci.
555
,
702
(
2019
).
52.
B.
Jean
, private communication (
2021
); Manual estimation of length L and diameter D over about 50 individual CNCs extracted from TEM images yields average values L̄130 nm and D̄3.9 nm with standard deviations ΔL ≃ 44 nm and ΔD ≃ 1.3 nm, respectively.
53.
E.
Gicquel
,
J.
Bras
,
C.
Rey
,
J.-L.
Putaux
,
F.
Pignon
,
B.
Jean
, and
C.
Martin
,
Cellulose
26
,
7619
(
2019
).
54.
F.
Chambon
and
H. H.
Winter
,
J. Rheol.
31
,
683
(
1987
).
55.
J. E.
Martin
,
D.
Adolf
, and
J. P.
Wilcoxon
,
Phys. Rev. Lett.
61
,
2620
(
1988
).
56.
H. H.
Winter
and
M.
Mours
,
Neutron Spin Echo Spectroscopy Viscoelasticity Rheology
, Advances in Polymer Science (
Springer
,
Berlin, Heidelberg
,
1997
), pp.
165
234
.
57.
H. H.
Winter
and
F.
Chambon
,
J. Rheol.
30
,
367
(
1986
).
58.
W.
Kunz
,
P.
Lo Nostro
, and
B. W.
Ninham
,
Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
9
,
1
(
2004
).
59.
J.
Lyklema
,
Chem. Phys. Lett.
467
,
217
(
2009
).
60.
T. G.
Mason
and
D. A.
Weitz
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
2770
(
1995
).
61.
T. G.
Mason
,
J.
Bibette
, and
D. A.
Weitz
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
2051
(
1995
).
62.
E. H.
Purnomo
,
D.
van den Ende
,
J.
Mellema
, and
F.
Mugele
,
Europhys. Lett.
76
,
74
(
2006
).
63.
K.
Hyun
,
S. H.
Kim
,
K. H.
Ahn
, and
S. J.
Lee
,
J. Non-Newtonian Fluid Mech.
107
,
51
(
2002
).
64.
K.
Hyun
,
M.
Wilhelm
,
C. O.
Klein
,
K. S.
Cho
,
J. G.
Nam
,
K. H.
Ahn
,
S. J.
Lee
,
R. H.
Ewoldt
, and
G. H.
McKinley
,
Prog. Polym. Sci.
36
,
1697
(
2011
).
65.
M.
Danesh
,
A. A.
Moud
,
D.
Mauran
,
S.
Hojabr
,
R.
Berry
,
M.
Pawlik
, and
S. G.
Hatzikiriakos
,
J. Rheol.
65
,
855
(
2021
).
66.
C.
Perge
,
N.
Taberlet
,
T.
Gibaud
, and
S.
Manneville
,
J. Rheol.
58
,
1331
(
2014
).
67.
T.
Gibaud
,
C.
Perge
,
S. B.
Lindström
,
N.
Taberlet
, and
S.
Manneville
,
Soft Matter
12
,
1701
(
2016
).
68.
T.
Gibaud
,
T.
Divoux
, and
S.
Manneville
, “
Nonlinear mechanics of colloidal gels: Creep, fatigue and shear-induced yielding
,” in
Encyclopedia of Complexity and Systems Science
(
Springer
,
New York
,
2020
).
69.
K.
Miyazaki
,
H. M.
Wyss
,
D. A.
Weitz
, and
D. R.
Reichman
,
Europhys. Lett.
75
,
915
(
2006
).
70.
N.
Koumakis
,
A.
Pamvouxoglou
,
A. S.
Poulos
, and
G.
Petekidis
,
Soft Matter
8
,
4271
(
2012
).
71.
S.
Migliozzi
,
G.
Meridiano
,
P.
Angeli
, and
L.
Mazzei
,
Soft Matter
16
,
9799
(
2020
).
72.
C. J.
Rueb
and
C. F.
Zukoski
,
J. Rheol.
41
,
197
(
1997
).
73.
H.
Guo
,
S.
Ramakrishnan
,
J. L.
Harden
, and
R. L.
Leheny
,
J. Chem. Phys.
135
,
154903
(
2011
).
74.
I.
Sudreau
,
M.
Auxois
,
M.
Servel
,
É.
Lécolier
,
S.
Manneville
, and
T.
Divoux
,
Phys. Rev. Mater.
6
,
L042601
(
2022
).
75.
L.
Cipelletti
and
L.
Ramos
,
Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
7
,
228
(
2002
).
76.
L.
Cipelletti
,
L.
Ramos
,
S.
Manley
,
E.
Pitard
,
D. A.
Weitz
,
E. E.
Pashkovski
, and
M.
Johansson
,
Faraday Discuss.
123
,
237
(
2003
).
77.
H.
Guo
,
J.
Wilking
,
D.
Liang
,
T.
Mason
,
J.
Harden
, and
R.
Leheny
,
Phys. Rev. E
75
,
041401
(
2007
).
78.
A.
Madsen
,
R. L.
Leheny
,
H.
Guo
,
M.
Sprung
, and
O.
Czakkel
,
New J. Phys.
12
,
055001
(
2010
).
79.
A.
Zaccone
,
J. J.
Crassous
, and
M.
Ballauff
,
J. Chem. Phys.
138
,
104908
(
2013
).
80.
M.
van der Linden
,
B. O.
Conchúir
,
E.
Spigone
,
A.
Niranjan
,
A.
Zaccone
, and
P.
Cicuta
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
2881
(
2015
).
81.
H.
Reerink
and
J. T. G.
Overbeek
,
Discuss. Faraday Soc.
18
,
74
(
1954
).
82.
A.
Zaccone
,
H. H.
Winter
,
M.
Siebenbürger
, and
M.
Ballauff
,
J. Rheol.
58
,
1219
(
2014
).
83.
M. S.
Reid
,
M.
Villalobos
, and
E. D.
Cranston
,
Langmuir
33
,
1583
(
2017
).
84.
T.
Abitbol
,
E.
Kloser
, and
D. G.
Gray
,
Cellulose
20
,
785
(
2013
).
85.
F.
Jiang
,
A. R.
Esker
, and
M.
Roman
,
Langmuir
26
,
17919
(
2010
).
86.
H.
Brenner
,
Int. J. Multiphase Flow
1
,
195
(
1974
).
87.
M.
Doi
and
S.
Edwards
,
The Theory of Polymer Dynamics
(
Oxford University Press
,
1988
), Vol. 73.
88.
S. R.
Aragon
and
D.
Flamik
,
Macromolecules
42
,
6290
(
2009
).
89.
A.
Lee
and
L.
Cognet
,
J. Appl. Phys.
128
,
224301
(
2020
).
90.
M. J.
Solomon
and
P. T.
Spicer
,
Soft Matter
6
,
1391
(
2010
).
91.
W.
Kunz
,
J.
Henle
, and
B. W.
Ninham
,
Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
9
,
19
(
2004
).
92.
J.
Israelachvili
and
H.
Wennerström
,
Nature
379
,
219
(
1996
).
93.
G. V.
Franks
,
J. Colloid Interface Sci.
249
,
44
(
2002
).
94.
K.
Okazaki
and
M.
Kawaguchi
,
J. Dispersion Sci. Technol.
29
,
77
(
2008
).
95.
M.
Wohlert
,
T.
Benselfelt
,
L.
Wågberg
,
I.
Furó
,
L. A.
Berglund
, and
J.
Wohlert
,
Cellulose
29
,
1
(
2021
).
96.
M.
Muthukumar
,
Macromolecules
22
,
4656
(
1989
).
97.
T. S. K.
Ng
and
G. H.
McKinley
,
J. Rheol.
52
,
417
(
2008
).
98.
A.
Ponton
,
S.
Warlus
, and
P.
Griesmar
,
J. Colloid Interface Sci.
249
,
209
(
2002
).
99.
S.
Ikeda
and
K.
Nishinari
,
Food Hydrocolloids
15
,
401
(
2001
).
100.
101.
D. J.
Curtis
,
P. R.
Williams
,
N.
Badiei
,
A. I.
Campbell
,
K.
Hawkins
,
P. A.
Evans
, and
M. R.
Brown
,
Soft Matter
9
,
4883
(
2013
).
102.
A. P. R.
Eberle
,
R.
Castañeda-Priego
,
J. M.
Kim
, and
N. J.
Wagner
,
Langmuir
28
,
1866
(
2012
).
103.
M. C.
Rogers
,
K.
Chen
,
M. J.
Pagenkopp
,
T. G.
Mason
,
S.
Narayanan
,
J. L.
Harden
, and
R. L.
Leheny
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
095601
(
2018
).
104.
K. N.
Pham
,
G.
Petekidis
,
D.
Vlassopoulos
,
S. U.
Egelhaaf
,
P. N.
Pusey
, and
W. C. K.
Poon
,
Europhys. Lett.
75
,
624
(
2006
).
105.
T. G.
Mason
,
J.
Bibette
, and
D. A.
Weitz
,
J. Colloid Interface Sci.
179
,
439
(
1996
).
106.
G. J.
Donley
,
P. K.
Singh
,
A.
Shetty
, and
S. A.
Rogers
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
117
,
21945
(
2020
).
107.
Z.
Shao
,
A. S.
Negi
, and
C. O.
Osuji
,
Soft Matter
9
,
5492
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.