Nulstilling af den sande natur af væsker i nanokapillærer

At skrumpe undersøgelsen af ​​objekter ned til nanometerskalaen afslører ofte nye egenskaber ved stof, som ikke har nogen ækvivalent til deres bulkanalyse. Dette fænomen motiverer mange aktuelle undersøgelser af nanomaterialer, som kan afsløre fascinerende nye fænomener.

Det inspirerede en gruppe forskere ved det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) til at udforske omfanget af vores viden om grundlæggende egenskaber ved væsker, som kræver genovervejelse med den stigende brug af væsker i de faldende størrelser af nye enheder, hvor deres flow er begrænset til stadigt mindre kapillarrør.

Som gruppen rapporterer i Journal of Chemical Physics de opdagede en ejendommelig tilstand af blandbar, eller blandbar, væsker indeholdt i nanokanaler.

Denne ejendommelige tilstand "svarer til en velordnet, koncentrisk arrangement af to sameksisterende væskeområder med forskellig sammensætning, " sagde Denis Morineau, forskningsdirektør hos CNRS, i Rennes. "Et område danner en skal, der omgiver en anden flydende kerne, som begge har en radial tykkelse på kun en til fire molekylstørrelser.

"[Fænomenet] er kendt som 'mikrofaseseparation', fordi det ikke betyder, at bestanddelene i de to flydende regioner faktisk vil faseadskilles, " sagde han. "De danner faktisk en unik homogen væskefase under normale forhold. Faktisk, denne skjulte tendens hos binære væsker til at danne spontane supramolekylære ordnede strukturer afsløres kun i mikroskopisk skala."

I folkeskolen, mange elever eksperimenterer med dråber blæk fra, sige, en fyldepen for at observere deres spredning i et glas vand. Til sidst, dråben spredes fuldstændigt, og den blandbare kombination fører til dannelsen af ​​en homogen, lyseblå løsning.

"Dette viser, at to væsker er fuldt blandbare, og deres binære blanding danner en enkelt væskefase ved termodynamisk ligevægt, " sagde Morineau. "Nu, ved at kombinere forskellige par simple opløsningsmidler, vi har vist, at denne iboende egenskab ved fuldt blandbare binære væsker er ugyldig, når beholderstørrelsen nedskaleres."

Effektivt, de målte direkte, hvor lille der er for lille til, at en prøve af to blandbare væsker kan betragtes som en kombineret opløsning.

Dette fænomen blev først observeret under et neutronspredningseksperiment udført ved den franske neutron nationale kilde Orphée i Laboratory Léon Brillouin (LLB). Undersøgelsen blev videreudviklet på LLB i samarbejde med European Large Scale Facility (Institute Laue-Langevin).

"Sprede neutroner afslører, hvor atomer er i prøven med en rumlig opløsning, der når nanometerskalaen, " sagde Morineau. "Den unikke metode er følsom over for atomets isotopiske natur. I modsætning til røntgenstråler, de giver en klar skelnen mellem brint og (brintisotopen) deuterium."

Gruppen anvendte denne metode til at studere strukturen af ​​simple opløsningsmidler såsom kulbrinter og alkoholer, imprægneret i syntetisk, porøse faste stoffer lavet af silicaglas. Glasset indeholdt et honeycomb-lignende arrangement af parallel, otte nanometer brede cylindriske kanaler. Det porøse materiale tjente som en samling af reagensglas i nanometerstørrelse.

Morineaus gruppe blandede molekyler af samme væske, men adskiller sig i det samlede antal neutroner fra udvekslingen af ​​brintatomer med dens tungere isotop, deuterium. Med de rigtige proportioner, blandingen kan indstilles til at sprede neutroner, der matcher spredningen fra glasrørene, gør de to uadskillelige.

"Vi brugte først dette trick til at forberede og indeslutte væsker, der har samme interaktion med neutroner som silicaglas nanokapillærer. Under denne kontrast-matchende tilstand, neutronen er blind for væsken, og den målte spredte intensitet annulleres, " sagde Morineau. "[Med blæk ville dette] svare til den situation, hvor både den blækfarvede opløsning og glasbeholderen har nøjagtig samme farve, gør dem umulige at skelne."

Gruppen havde en overraskende observation for nogle betroede binære væsker, hvor de forventede neutrontilpasningsadfærd, men signalet var højere end nogensinde.

"Dette var det første direkte bevis på, at paradigmet med homogen sammensætning i en fuldt blandbar blanding skal nedbrydes inden for nanokanaler, " sagde Morineau.

For reel anvendelighed, gruppen udvidede en række omhyggeligt designede eksperimenter for at etablere metoder til mærkning af komponenterne i binære væsker.

"Kombineret med udviklingen af ​​en beregningsmodel, det viser fremragende overensstemmelse med vores nuværende eksperimenter, " sagde Morineau. "Vi har leveret en praktisk metode til at vurdere de originale strukturer af væsker, der er indsuget i miljøer i nanometerskala."

Manipulering af væsker i nanostrukturerede porer er en aktivitet, der er fælles for mange kemi- og materialevidenskabelige processer, men spiller også en væsentlig rolle i biologiske miljøer, hvor forskerne forventer, at deres arbejde har bred anvendelighed.

"Vores undersøgelse tyder på, at mikrofaseseparation, som en ny type nanostruktur, resultater fra de samtidige virkninger af specifikke overfladeinteraktioner og rumlig indeslutning, " sagde Morineau. "Så vi er glade for den mulighed, moduleringen af ​​begge elementer giver for at fremme en ny kontrol over supermolekylær samling af komplekse blandinger."

De planlægger at undersøge dynamikken yderligere, ude af ligevægt egenskaber og væskestrøm i sådanne systemer. "Disse er grundlæggende af interesse, såvel som til udvikling af nanofluidiske enheder, " sagde han. "Vi samarbejder nu med to forskergrupper fra Hamborg for at udforske disse forskellige perspektiver."