Polymer videnskabsmænd jammer nanopartikler, at fange væsker i nyttige former

Skarp observation af ph.d.-studerende Mengmeng Cui i Thomas Russells polymervidenskabs- og ingeniørlaboratorium ved University of Massachusetts Amherst fik hende for nylig til at opdage, hvordan man kinetisk fanger og kontrollerer én væske i en anden, låse og adskille dem i et stabilt system over lange perioder, med evnen til at skræddersy og manipulere hver enkelts form og flowkarakteristika.

Russell, hendes rådgiver, påpeger, at fremskridtet lover en bred vifte af forskellige applikationer, herunder lægemiddellevering, biosensing, fluidik, solcelleanlæg, indkapsling og bikontinuerlige medier til energianvendelser og separationsmedier.

Han siger, "Det er meget, meget pænt. Vi har narret systemet til at forblive helt fast, fanget i en bestemt tilstand, så længe vi har lyst. Nu kan vi tage et materiale og indkapsle det i en dråbe i en usædvanlig form i meget lang tid. Ethvert system, hvor jeg kan have co-kontinuerlige materialer, og jeg kan gøre tingene selvstændigt i både olie og vand, er interessant og potentielt værdifuldt."

Cui, med Russell og hans kollega, syntetisk kemiker Todd Emrick, rapportere deres resultater i det aktuelle nummer af Videnskab .

Russells laboratorium har længe været interesseret i jamming-fænomener og kinetisk fangede materialer, han siger. Da Cui bemærkede noget usædvanligt i rutineeksperimenter, i stedet for at ignorere det og begynde igen besluttede hun at undersøge nærmere. "Denne opdagelse er virkelig en hyldest til Cuis observationsevner, " bemærker Russell, "at hun erkendte dette kunne være af betydning."

Specifikt, polymerforskerne anvendte et elektrisk felt på et system med to væsker for at overvinde den svage kraft, der stabiliserer nanopartikelsamlinger ved grænseflader. Under påvirkning af det ydre felt, en sfærisk dråbe ændrer form til en ellipsoide med øget overfladeareal, så den har mange flere nanopartikler knyttet til overfladen.

Når det eksterne felt frigives, jo højere antal overfladenanopartikler blokerer væskesystemet, standsning af nanopartiklers bevægelse som fredag ​​eftermiddags gridlock på en frakørselsrampe eller sandkorn, der sidder fast i et timeglas, Russell forklarer. I sin fastklemte tilstand, den nanopartikeldækkede dråbe bevarer sin ellipsoide form og bærer stadig mange flere nanopartikler på sin overflade, uordnet og væskelignende, end det kunne som en simpel sfærisk dråbe. Denne nye form kan fastgøres permanent. Cui, Russell og Emrick udførte også jammingen ved hjælp af en mekanisk metode, omrøring.

Ved at generere disse fastklemte nanopartikeloverfladeaktive stoffer ved grænseflader, væskedråber af vilkårlig form og størrelse kan stabiliseres ved åbningsapplikationer i fluidik, indkapsling og bikontinuerlige medier til energianvendelser. Yderligere stabilisering opnås ved at erstatte monofunktionelle ligander med difunktionelle, der tværbinder samlingerne, bemærker forfatterne. Evnen til at generere og stabilisere væsker med en foreskrevet form giver muligheder for reaktive væskesystemer, emballage, levering og opbevaring.