På linjen:At se nanopartikler komme i form

Flydende strukturer - flydende dråber, der bevarer en bestemt form - er nyttige til en række forskellige anvendelser, fra fødevareforarbejdning til kosmetik, medicin, og endda olieudvinding, men forskerne mangler endnu at udnytte disse spændende nye materialers fulde potentiale, fordi man ikke ved meget om, hvordan de dannes.

Nu, et forskerhold ledet af Berkeley Lab har optaget realtidsvideoer i høj opløsning af flydende strukturer, der tager form som nanopartikel-overfladeaktive stoffer (NPS'er) - sæbelignende partikler, der kun er en milliardtedel af en meter i størrelse - sidder tæt sammen, side om side, at danne et faststoflignende lag ved grænsefladen mellem olie og vand.

Deres resultater, for nylig vist på forsiden af Videnskabens fremskridt , kunne hjælpe forskere med bedre at optimere flydende strukturer for at fremme nye biomedicinske applikationer såsom rekonfigurerbar mikrofluidik til lægemiddelopdagelse og flydende robotteknologi til målrettet kræfttilførsel af lægemidler, blandt andre.

I eksperimenter ledet af medforfatter Paul Ashby, en stabsforsker i Berkeley Labs Molecular Foundry and Materials Sciences Division, og Yu Chai, en tidligere postdoc-forsker i Ashby-gruppen, som nu er adjunkt ved The City University of Hong Kong, forskerne brugte en speciel billeddannelsesteknik kaldet atomkraftmikroskopi (AFM) til at tage de første realtidsfilm nogensinde af NPS'erne, der trænger sig sammen og sidder fast ved olie-vand-grænsefladen, et kritisk trin i at låse en væske til en bestemt form.

Forskernes film afslørede et portræt af NPS-grænsefladen med hidtil usete detaljer, inklusive størrelsen af ​​hver NPS, om grænsefladen var sammensat af et eller flere lag, og hvor lang tid der gik, ned til den anden, for hver NPS at knytte sig til og sætte sig ind i grænsefladen.

De spektakulære AFM-billeder viste også den vinkel, hvor en NPS "sidder" ved grænsefladen - et uventet resultat. "Vi blev overraskede over, hvor grove grænseflader er, Ashby sagde. "Vi havde altid tegnet illustrationer af en ensartet grænseflade med nanopartikler fastgjort i samme kontaktvinkel - men i vores nuværende undersøgelse, vi fandt ud af, at der faktisk er en masse variation."

De fleste billeddannelsesværktøjer i nanoskala kan kun undersøge immobile prøver, der enten er tørre eller frosne. I løbet af de sidste par årtier, Ashby har fokuseret sin forskning på at udvikle unikke AFM-egenskaber, der gør det muligt for brugeren at kontrollere sondespidsen, så den forsigtigt interagerer med hurtige prøver, såsom NPS'erne for den nuværende undersøgelse, uden at røre den underliggende væske - en udfordrende bedrift.

"Afbildning af en flydende struktur på nanoskala, og se nanopartiklerne bevæge sig rundt i væske i realtid ved hjælp af en AFM-sonde – det ville ikke være muligt uden Pauls omfattende ekspertise, " sagde medforfatter Thomas Russell, en gæstevidenskabsmand ved fakultetet og professor i polymervidenskab og ingeniørvidenskab fra University of Massachusetts, som leder programmet Adaptive Interfacial Assemblys Towards Structuring Liquids i Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Denne slags kapaciteter er ikke tilgængelige andre steder end hos Molecular Foundry."

Forskerne planlægger derefter at studere effekten af ​​selvkørende partikler i NPS-væskestrukturer.