Væske-faststof interaktioner, som aldrig før set

(PhysOrg.com) -- Befugtning -- graden, i hvilken en væske enten spredes ud over en overflade eller dannes til dråber -- er afgørende for en lang række processer. Det påvirker, for eksempel, hvor let dugger en bils forrude til, og påvirker også funktionen af ​​avancerede batterier og brændselscellesystemer.

Indtil nu, den eneste måde at kvantificere denne vigtige egenskab ved et materiales overflade har været at måle formen på de dråber, der dannes på det, og denne metode har meget begrænset opløsning. Men et hold af MIT-forskere har fundet en måde at få billeder på, der forbedrer opløsningen af ​​sådanne målinger med en faktor på 10, 000 eller mere, giver mulighed for hidtil uset præcision ved bestemmelse af detaljerne i samspillet mellem væsker og faste overflader. Ud over, den nye metode kan bruges til at studere buede, strukturerede eller komplekse faste overflader, noget, der ikke kunne gøres tidligere.

"Dette er noget, der var utænkeligt før, siger Francesco Stellacci, Paul M. Cook karriereudviklingslektor i materialevidenskab og teknik ved MIT, leder af teamet, der udviklede den nye metode. "Det giver os mulighed for at lave et kort over befugtningen, " det er, et detaljeret billede af præcis, hvordan væsken interagerer med overfladen ned til niveauet af individuelle molekyler eller atomer, i modsætning til blot den gennemsnitlige interaktion af hele dråben.

Den nye metode er beskrevet i et papir, der udkommer den 25. april i tidsskriftet Natur nanoteknologi . Hovedforfatteren er postdoc Kislon Voďtchovsky, og papiret er medforfatter af Stellacci og andre ved MIT, i England, og i Italien. Stellacci forklarer, at evnen til at få så detaljerede billeder er vigtig for studiet af processer som katalyse, korrosion og den interne funktion af batterier og brændselsceller, og mange biologiske processer såsom interaktioner mellem proteiner.

For eksempel, Voďtchovsky siger, i biologisk forskning, "Du kan have en meget inhomogen prøve, med alle mulige reaktioner i gang overalt. Nu kan vi identificere bestemte specifikke områder, der udløser en reaktion."

Metoden, udviklet med støtte fra Swiss National Science Foundation og Packard Foundation, virker ved at ændre den programmering, der styrer et Atomic Force Microscope (AFM). Denne enhed bruger en skarp spids monteret på et vibrerende udhæng, som scanner overfladen af ​​en prøve og reagerer på topologi og prøvens egenskaber for at give meget detaljerede billeder. Stellacci og hans team har varieret en vigtig billeddiagnostisk parameter:De får punktet til kun at vibrere nogle få nanometer (i modsætning til 10-100 nanometer, hvilket er typisk).

"Ved at gøre det, du forbedrer faktisk opløsningen af ​​AFM, ” forklarer Stellacci. Den resulterende beslutning, fint nok til at kortlægge positionerne af individuelle atomer eller molekyler, er "umatchede før med kommercielle instrumenter, " han siger. En sådan løsning havde været opnåelig før med meget dyre specialiserede AFM'er, hvoraf kun få findes i verden, men kan nu modsvares af de meget mere almindelige kommercielle modeller, som der er tusindvis af. Stellacci og hans kolleger mener, at den forbedrede opløsning skyldes den måde, hvorpå den vibrerende spids får vandet til gentagne gange at skubbe mod overfladen og sprede sin energi der, men denne forklaring mangler at blive testet og bekræftet af andre forskere.

Med deres demonstration af både en 10, 000 gange forbedring i opløsning for den specifikke funktion at måle befugtning af overflader og en 20 gange forbedring i den samlede opløsning af den billigere AFM, Stellacci siger, at det ikke er klart, hvilke af disse applikationer, der vil ende med at have større indflydelse.

Arvind Raman, en professor og universitetslærer i maskinteknik ved Purdue University, er enig i, at disse fremskridt har et betydeligt potentiale. Metoden demonstreret af dette hold, som Raman ikke var involveret i, "kan rutinemæssigt opnå atomopløsning på hårde overflader selv med kommercielle AFM-systemer, og det giver stor fysisk indsigt i de optimale forhold, hvorunder dette kan opnås, som begge er meget betydelige resultater, " han siger. "Jeg tror virkelig, at mange i AFM-feltet vil hoppe på dette og prøve at bruge teknikken."

Raman tilføjer, at mens holdets fortolkning af, hvorfor metoden fungerer, som den gør, tilbyder "en mulig mekanisme bag billeddannelsen, andre plausible mekanismer eksisterer også og vil skulle undersøges i fremtiden for at bekræfte fundet."