Forskere bruger bløde nanopartikler til at modellere adfærd ved grænseflader

Hvor vand og olie mødes, der eksisterer en todimensionel verden. Denne grænseflade præsenterer et potentielt nyttigt sæt egenskaber for kemikere og ingeniører, men at få noget mere komplekst end et sæbemolekyle til at blive der og opføre sig forudsigeligt er fortsat en udfordring.

Et team fra University of Pennsylvania har nu vist, hvordan man laver nanopartikler, der tiltrækkes af denne grænseflade, men ikke af hinanden, skabe et system, der fungerer som en todimensionel væske. Ved at måle denne væskes tryk og tæthed, de har vist en vej frem ved at bruge det til en række forskellige applikationer, såsom i nanofremstilling, katalyse og fotoniske enheder.

Ved at skabe et system, hvor disse partikler ikke klumper sig i klynger eller skind, de har muliggjort en måde at undersøge det fysiske grundlag for, hvordan objekter i nanoskala interagerer med hinanden i to dimensioner.

Arbejdet blev udført af postdoc-forsker Valeria Garbin, kandidatstuderende Ian Jenkins og professorerne Talid Sinno, John Crocker og Kathleen Stebe, alle fra Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik i Penns School of Engineering and Applied Science.

Den blev udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve .

"Ting sætter sig fast i grænsefladen mellem olie og vand, " sagde Stebe. "Det er af enorm fundamental og teknologisk interesse, fordi vi kan tænke på den grænseflade som en todimensionel verden. Hvis vi kan begynde at forstå samspillet mellem de ting, der akkumuleres der, og lære, hvordan de er arrangeret, vi kan udnytte dem i en række forskellige applikationer."

Det er vanskeligt at få nanopartikler til at gå til og blive ved denne grænseflade, imidlertid. Deres overfladekemi kan nemt tilpasses til enten vand eller olie, men at balancere de to for at få partiklerne til at blive i dette 2-D-regime er sværere.

"Vi forstår, hvordan partikler fungerer i 3D, " sagde Crocker. "Hvis du sætter polymerkæder på overfladen, der tiltrækkes af opløsningsmidlet, partiklerne vil hoppe af hinanden og danne en flot suspension, hvilket betyder, at du kan arbejde med dem. Imidlertid, folk har ikke rigtig gjort det i 2-D før."

Selv når partikler er i stand til at blive ved grænsefladen, de har tendens til at klumpe sig sammen og danne en hud, der ikke kan trækkes fra hinanden i dets partikler.

"Alle partikler elsker sig selv, " sagde Stebe. "Bare på grund af Van der Waals interaktioner, hvis de kan komme tæt nok på, de samler sig. Men fordi vores nanopartikler har beskyttende ligandarme, de klumper sig ikke sammen og danner en flydende tilstand. De er i todimensionel ligevægt."

Holdets teknik til at overvinde dette problem var afhængig af at dekorere deres guld nanopartikler med overfladeaktivt stof, eller sæbelignende, ligander. Disse ligander har et vandelskende hoved og en olieelskende hale, og den måde, de er fastgjort til den centrale partikel, gør, at de kan forvride sig selv, så begge sider er glade, når partiklen er ved en grænseflade. Dette arrangement giver en "flyvende tallerken"-form, hvor liganderne strækker sig mere ud ved grænsefladen end over eller under. Disse ligand-bumpere forhindrer partiklerne i at klumpe sig sammen.

"Dette er et meget smukt system, " sagde Stebe. "Evnen til at tune deres pakning betyder, at vi nu kan tage alt, hvad vi ved om ligevægtstermodynamikken i to dimensioner og begynde at stille spørgsmål om partikellag. Opfører disse partikler sig, som vi synes, de burde? Hvordan kan vi manipulere dem i fremtiden?"

For at komme ind på det grundlæggende i dette system, forskerne havde brug for at udlede sammenhængen mellem visse egenskaber, såsom hvordan trykket af deres 2-D væske ændres som funktion af pakningen af ​​partiklerne. De brugte en variation af pendant drop metoden, hvor en oliedråbe dannes i en suspension af partikler i vand. Over tid, partikler knyttet til olie-vand-grænsefladen, producerer 2-D væsken i en form, hvor de kunne måle disse egenskaber.

"Vi kan udlede trykket af denne 2-D væske ved formen af ​​dråben, " sagde Stebe. "Når vi komprimerer dråben ved at trække noget af olien tilbage i sprøjten, vi kan bestemme, hvordan formen ændrer sig og relatere det til trykket i laget."

Forskerne skulle også bestemme, hvor tæt partiklerne var pakket. For at gøre det, de ønskede at udnytte det faktum, at dråben blev mere uigennemsigtig, efterhånden som partiklens tæthed steg, når dråben blev komprimeret. Imidlertid, det var ikke muligt blot at måle mængden af ​​lys, der skinnede gennem dråben, da plasmonisk adfærd betød, at guldnanopartiklernes egenskaber ændrede sig, efterhånden som de kom tættere på hinanden.

"Heldigvis, vi opdagede et andet interessant træk ved dette nanopartikelsystem, " sagde Garbin. "Hvis dråben blev komprimeret for meget, nogle partikler ville falde ud af grænsefladen, fordi de ikke passede længere. Dette gjorde det muligt for os at måle mængden af ​​partikler, der var i den faldende fane, da partiklerne er længere fra hinanden der. Ud fra den måling, vi kunne arbejde baglæns til antallet af partikler på grænsefladen"

Det glatte forhold mellem partiklernes pakning og trykket af den 2-D væske, de danner, danner grundlaget for universelle regler, der styrer fysikken i sådanne systemer.

"Fra disse data, Crocker sagde, "vi kan finde ud af kraften kontra afstanden af ​​to nanopartikler. Det betyder, at vi nu kan lave en model af, hvordan disse partikler opfører sig i 2-D væsken."

At have disse regler vil give forskere mulighed for at udvikle funktionelle nanopartikler med forskellige egenskaber, såsom længere og mere komplekse ligander, der udfører en eller anden kemisk opgave.

"En applikation er grænsefladekatalyse, " sagde Stebe. "F.eks. hvis du har et reagens, der er i oliefasen, men dets produkt er i vandfasen, at have en partikel på grænsefladen, der kan hjælpe med at flytte den fra den ene til den anden, ville være perfekt."

En bedre forståelse af, hvornår og hvorfor partikler bliver fanget i væske-væske grænseflader kan også understøtte fremtidigt arbejde.