Arrangementer og mobilitet af bløde nanopartikler i tætte suspensioner

(Phys.org) — De usædvanlige egenskaber ved vand, inklusive dens unormale termiske ekspansion og tæthedsanomali, har fascineret forskere i årtier. Disse egenskaber er notorisk svære at undersøge eksperimentelt på grund af de iboende små længdeskalaer og komplekse interaktioner, der ser ud til at styre disse materialers fysik. Undersøgelser af små partikler (kolloider) dispergeret i opløsningsmidler, kendt som kolloide suspensioner, brugt som modeller for atomare og molekylære væsker har vist, at nogle af disse anomalier kan konstrueres i kolloide suspensioner af bløde partikler.

En rapport offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve beskriver forskning udført ved U.S. Department of Energy Office of Sciences Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory, der belyser arrangementerne og mobiliteten af ​​bløde nanopartikler i tætte suspensioner, der afspejler de anomalier, der observeres i komplekse væsker som vand. Denne opdagelse, hvilket er det første tilfælde af eksperimentel observation af sådan adfærd i en kolloid suspension, giver mulighed for en udvidelse af værktøjskassen for den eksperimentelle fysiker, der er interesseret i at anvende suspensioner til at efterligne molekylære væsker, med den ekstra fordel af let tilgængelige længde- og tidsskalaer.

Forskerholdet, med medlemmer fra Cornell University og Argonne, syntetiserede bløde nanopartikler ved tæt tøjring af små polymerer på overfladen af ​​silicananopartikler. Småvinklet røntgenspredning (SAXS) og røntgenfoton-korrelationsspektroskopi (XPCS) målinger blev udført ved X-ray Science Division beamlines 12-ID-B og 8-ID-I ved APS for at afsløre ligevægtsstrukturen og egenskaberne ved partikelbevægelse, henholdsvis.

Det blev fundet, at partikelarrangementerne bliver mere uordnede og bevæger sig hurtigere, når flere partikler tilsættes suspensionen ud over en kritisk partikelvolumenfraktion, faldende sammen med en kraftig stigning i systemet af podede nanopartiklers modstand mod fysiske deformationer.

Dette er i modsætning til den sædvanlige situation, hvor en forøgelse af koncentrationen af ​​partikler i en fortyndet suspension mindsker den tilgængelige plads til at placere nye partikler, dermed øge partikelrækkefølgen og bremse dem.

"Det bliver nemmere for enhver partikel i disse suspensioner at diffundere, når de er mere omgivet af deres naboer; den kontraintuitive karakter af denne situation kan illustreres med følgende analogi - det er lettere at løbe og score et touch down, når den modsatte holdet har femten personer i forsvaret, " sagde Samanvaya Srivastava, en senior kandidatstuderende ved Cornell University og hovedforfatter til artiklen Physical Review Letters.

Den unormale opførsel af partikler suspenderet i vand og andre komplekse væsker har længe været hævdet at eksistere for systemer med blød frastødning, som er karakteriseret ved en potentiel energi, der udviser en begrænset bredde, over hvilken partikelinteraktion forekommer. Disse empiriske resultater understøtter en ny konsensus fra simuleringsstudier og giver et modelsystem til at studere systemer med bløde frastødende interaktioner.