Forskere sporer nanopartikeldynamik i tre dimensioner

(Phys.org) - Forskere fra NIST Center for Nanoscale Videnskab og Teknologi har brugt tredimensionel enkeltpartikelsporing til at måle den dynamiske adfærd af individuelle nanopartikler adsorberet på overfladen af ​​oliedråber i mikrometerskala i vand.

Resultaterne viste, at diffusionen af ​​partiklerne afhænger af deres størrelse, med mindre partikler, der diffunderer meget langsommere end forventet. En detaljeret forståelse af, hvordan kolloide nanopartikler interagerer med grænseflader, er afgørende for at designe dem til specifikke applikationer inden for områder lige fra lægemiddellevering til olieudforskning og -udvinding. Forskerne udviklede et feedback-kontrolsystem med real-time kontrolelektronik til at aktivere et piezoelektrisk trin, at flytte prøven for at låse den bevægelige nanopartikel i observationsvolumenet af et optisk mikroskop.

Teknikken, som udløser fotoner opsamlet in situ fra en individuel fluorescerende nanopartikel, giver høj opløsning tredimensionel positionsinformation med fremragende tidsopløsning og med den ekstra fordel af følsomhed over for kemisk aktivitet. Partikler i størrelse fra 20 nm til 2000 nm blev fulgt i realtid, da de diffunderede frit i vand og over de buede overflader af oliedråber af forskellig størrelse. Som forventet, diffusionskoefficienterne skaleret med partikelstørrelse for de frit diffuserende partikler. Imidlertid, der var et signifikant og uventet fald i diffusionskoefficienterne for mindre ( <200 nm) nanopartikler, når de diffunderede ved olie-vand-grænsefladen.

Desuden, for en given partikelstørrelse, forskerne observerede en stor spredning i diffusionskoefficienterne målt ved grænsefladen, mens der ikke blev observeret en sådan effekt for de frit diffuserende partikler. For bedre at passe til målene, den grundlæggende model, der fungerer godt for større partikler, der diffunderer ved en væske-væske grænseflade, skulle modificeres for at tage højde for linjespænding (den endimensionelle analog af overfladespænding) ved grænsefladen mellem de mindre nanopartikler, olien, og vandet.

Forskerne mener, at variationen i diffusionskoefficienterne for partiklerne adsorberet ved grænsefladen højst sandsynligt er en afspejling af subtile variationer i partiklernes overfladekemi, tyder på, at diffusionsmålinger kan give en ny måde at sammenligne partikeloverfladekemi på. Hvorimod det at følge dynamikken i isolerede partikler giver mange nyttige indsigter i deres adfærd, typiske menneskeskabte og naturlige systemer er normalt langt mere komplekse, med heterogene væsker, overfyldte miljøer, og stærke partikel-partikel-interaktioner.

Forskerne mener, at brug af realtid, tredimensionel partikelsporing for at observere bevidst indsat, enkelte sporstofpartikler kan være et ideelt værktøj til at sondere komplicerede væskesystemer, såsom det indre af celler, eller olie/vand-blandinger fanget inde i porøse sten.