Team løser mysteriet om kolloide kæder

Da Northwestern Engineering's Erik Luijten mødte Zbigniew Rozynek, de blev straks forenet af et mysterium.

Præsentation på en konference i Norge, Rozynek, en forsker ved Adam Mickiewicz University i Pozna ?, Polen, demonstreret noget, der nærmest lignede magi. Da han stak en nålformet elektrode ind i en blanding af mikronstørrelse, sfæriske metalpartikler dispergeret i silikoneolie, en kugle stak til sin ende. Da Rozynek trak elektroden ud af dispersionen, en anden sfære fastgjort til den første sfære, og derefter en anden til den anden sfære, og så videre, indtil der dannes en lang kæde.

"Sfærerne opførte sig som magnetiske perler, medmindre ingen magnetisme var involveret, sagde Luijten, professor i materialevidenskab og teknik og teknik og anvendt matematik ved Northwestern's McCormick School of Engineering. "Partiklerne har ingen tendens til at klynge sig. Jeg indså, at der skete noget mere kompliceret."

Rozynek, sammen med sine samarbejdspartnere Filip Dutka, Piotr Garstecki, og Arkadiusz Józefczak, og Luijten sluttede sig til deres teams for at forstå fænomenet, der fik disse kæder til at dannes. Deres resulterende opdagelse kan føre til en ny generation af elektroniske enheder og en hurtig, enkel metode til at skrive todimensionale elektroniske kredsløb.

"Vores videnskabelige resultater kunne åbne andre områder for fremtidig forskning - både grundlæggende og anvendt, "Rozynek sagde." Vi arbejder allerede på opfølgningsprojekter baseret på vores opdagelse. "

Støttet af Foundation for Polish Science, Polsk National Science Center, og US National Science Foundation, forskningen blev offentliggjort online i dag i tidsskriftet Naturkommunikation . Rozynek og Luijten er co-korresponderende forfattere. Rozynek er også co-første forfatter med Ming Han, en ph.d. -studerende i Luijtens Computational Soft Matter Lab.

Rozynek og Han udførte flere beregninger, viser hvordan elektrodens elektriske felt ændrede partiklernes egenskaber. Når elektroden dyppes i den kolloidale opløsning, dens ladede spids polariserer hver kugle. Disse inducerede dipolære interaktioner får kuglerne til at kæde sammen. En resulterende kæde kan indeholde hundredtusinder af kugler, når op til 30 centimeter i længden.

Efter at teamet havde løst mysteriet om, hvordan kæderne dannede sig, det havde et andet mysterium at tackle. "En anden fascinerende del er, at når vi trak kæden ud af væsken, vi behøvede ikke længere at anvende et elektrisk felt for at holde kædens struktur, "Sagde Han." Efter at feltet var slukket, den stabile partikelkæde forblev stabil. "

Efter måneders undersøgelse, Luijten og Rozyneks teams opdagede, at kæderne fastholdt deres strukturer på grund af flydende "broer" mellem tilstødende partikler. Da forskere trak kæden ud af væsken, silikoneolie klamrede sig til siderne af hver partikel, danner en sag rundt om hele kæden og holder den intakt.

"Overfladespænding spiller en stor rolle her, "Sagde Han." Væskebroen fik partiklerne til at hænge sammen. Fysikken her er virkelig interessant. De fleste mennesker ville tro, at hvis du ville beholde strukturen, så skulle du bruge det elektriske felt. Men det er ikke nødvendigt i vores system. "

Når den fleksible kæde er trukket ud af væsken, det kan straks trækkes langs en overflade og deponeres for at skabe et mønster. Forskerne mener, at denne metode kunne bruges som en alternativ måde at skabe enkle, todimensionelle elektroniske kredsløb. Hvis der bruges smeltet voks i stedet for silikoneolie, så kunne metoden også bruges til at bygge tredimensionelle strukturer, der holder deres former, når voksen afkøles og hærder.

"Selvom det er enkelt, vores metode til fremstilling af kolloide strukturer er meget elegant og kan bruges til mange applikationer, "Sagde Rozynek, "herunder fremstilling af ledende stier på forskellige underlag, der skal bruges, for eksempel, i elektroniske applikationer. "

Luijten og Rozynek mener, at løsning af dette mysterium potentielt kan åbne døren for applikationer, som de ikke kan forudsige i dag. Ved at forstå, hvordan metoden fungerer, de kan bedre vurdere, hvordan forskellige typer væsker eller spændingsniveauer kan påvirke kæderne og ændre resultatet.

"At forstå, hvordan det fungerer, gør det meget lettere at manipulere og optimere, "Luijten sagde." Vi kan sige, om metoden vil fungere bedre eller dårligere, hvis partiklerne er større, eller hvis det elektriske felt er stærkere. Det er kun muligt, fordi vi forstår det. Ellers, du skulle undersøge et uendeligt antal kombinationer. "