Nanopartikel supersæbe skaber bijel med potentiale som formbar væske

En ny todimensionel film, lavet af polymerer og nanopartikler og udviklet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kan lede to forskellige ikke-blandende væsker ind i en række eksotiske arkitekturer. Denne opdagelse kan føre til blød robotteknologi, flydende kredsløb, formskiftende væsker, og et væld af nye materialer, der bruger bløde, snarere end solid, stoffer.

Studiet, rapporteret i dag i dagbladet Natur nanoteknologi , præsenterer den nyeste post i en klasse af stoffer kendt som bicontinuous jammed emulsion gels, eller bijels, som lover som en formbar væske, der kan understøtte katalytiske reaktioner, elektrisk ledningsevne, og energiomsætning.

Bijels er typisk lavet af ublandbare, eller ikke-blanding, væsker. Folk, der ryster deres flaske vinaigrette, før de hælder dressingen på deres salat, er bekendt med sådanne væsker. Så snart rysten stopper, væskerne begynder at adskilles igen, med den lavere massefylde væske - ofte olie - stigende til toppen.

Fangst, eller jamming, partikler, hvor disse ublandbare væsker mødes, kan forhindre væskerne i at adskilles fuldstændigt, stabilisering af stoffet til en bijel. Det, der gør bijels bemærkelsesværdigt, er, at i stedet for blot at lave de sfæriske dråber, som vi normalt ser, når vi prøver at blande olie og vand, partiklerne ved grænsefladen former væskerne til komplekse netværk af indbyrdes forbundne væskekanaler.

Bijels er notorisk svære at lave, imidlertid, involverer nøjagtige temperaturer på præcist timede stadier. Ud over, væskekanalerne er normalt mere end 5 mikrometer på tværs, gør dem for store til at være nyttige i energiomdannelse og katalyse.

"Bijels har længe været af interesse som næste generations materialer til energianvendelser og kemisk syntese, " sagde undersøgelsens hovedforfatter Caili Huang. "Problemet har været at gøre nok af dem, og med funktioner i den rigtige størrelse. I dette arbejde, vi løser det problem."

Huang startede arbejdet som kandidatstuderende med Thomas Russell, undersøgelsens hovedforsker, hos Berkeley Labs Materials Sciences Division, og han fortsatte projektet som postdoc-forsker ved DOE's Oak Ridge National Laboratory.

Oprettelse af en ny bijelopskrift

Metoden beskrevet i dette nye studie forenkler bijelprocessen ved først at bruge specialcoatede partikler på omkring 10-20 nanometer i diameter. De mindre partikler beklæder væskegrænsefladerne meget hurtigere end dem, der bruges i traditionelle bijels, laver de mindre kanaler, der er højt værdsat for applikationer.

"Vi har dybest set taget væsker som olie og vand og givet dem en struktur, og det er en struktur, der kan ændres, " sagde Russell, en gæstende fakultetsforsker ved Berkeley Lab. "Hvis nanopartiklerne reagerer på elektriske, magnetiske, eller mekaniske stimuli, bijelerne kan blive rekonfigurerbare og omformede efter behov af et eksternt felt."

Forskerne var i stand til at forberede nye bijeller fra en række almindelige organiske, vanduopløselige opløsningsmidler, såsom toluen, der havde ligander opløst i sig, og deioniseret vand, som indeholdt nanopartiklerne. For at sikre grundig blanding af væskerne, de udsatte emulsionen for en hvirvelspinding ved 3, 200 omdrejninger i minuttet.

"Denne ekstreme rystelse skaber en hel masse nye steder, hvor disse partikler og polymerer kan møde hinanden, " sagde studiets medforfatter Joe Forth, en postdoc ved Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Du syntetiserer en masse af dette materiale, som i virkeligheden er en tynd, 2-D belægning af væskeoverfladerne i systemet."

Væskerne forblev en bijel selv efter en uge, et tegn på systemets stabilitet.

Russell, som også er professor i polymervidenskab og ingeniørvidenskab ved University of Massachusetts-Amherst, tilføjede, at disse formskiftende egenskaber ville være værdifulde i mikroreaktorer, mikrofluidiske enheder, og bløde aktuatorer.

Nanoparticle supersoap

Nanoparticles had not been seriously considered in bijels before because their small size made them hard to trap in the liquid interface. To resolve that problem, the researchers coated nano-sized particles with carboxylic acids and put them in water. They then took polymers with an added amine group - a derivative of ammonia - and dissolved them in the toluene.

This configuration took advantage of the amine group's affinity to water, a characteristic that is comparable to surfactants, like soap. Their nanoparticle "supersoap" was designed so that the nanoparticles join ligands, forming an octopus-like shape with a polar head and nonpolar legs that get jammed at the interface, sagde forskerne.

"Bijels are really a new material, and also excitingly weird in that they are kinetically arrested in these unusual configurations, " said study co-author Brett Helms, a staff scientist at Berkeley Lab's Molecular Foundry. "The discovery that you can make these bijels with simple ingredients is a surprise. We all have access to oils and water and nanocrystals, allowing broad tunability in bijel properties. This platform also allows us to experiment with new ways to control their shape and function since they are both responsive and reconfigurable."

The nanoparticles were made of silica, but the researchers noted that in previous studies they used graphene and carbon nanotubes to form nanoparticle surfactants.

"The key is that the nanoparticles can be made of many materials, " said Russell. "The most important thing is what's on the surface."