Forskere klemmer nanokrystaller i en flydende dråbe til en fast-lignende tilstand - og tilbage igen

Et hold ledet af forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) fandt en måde at få en væskelignende tilstand til at opføre sig mere som et fast stof, og derefter for at vende processen.

De putter en dråbe af en væske, der indeholder jernoxidnanokrystaller, i en olieagtig væske, der indeholder bittesmå polymerstrenge.

De fandt ud af, at et kemisk tilsætningsstof i dråben kan konkurrere med polymeren - som et lille tovtrækkeri - på nanopartikler i skæringspunktet mellem væskerne.

De var i stand til at få nanopartiklerne samlet her til at sætte sig fast, få det til at fungere som et fast stof, og derefter at fjerne jamning og vende tilbage til en væskelignende tilstand ved den konkurrencedygtige push-pull-virkning af polymeren og additivet.

"Evnen til at bevæge sig mellem disse fastklemte og ikke-jammede tilstande har konsekvenser for udvikling af flydende elektronik, og til at interagere med celler og kontrollere cellulære funktioner, " sagde Tom Russell fra Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab, som ledte undersøgelsen sammen med Brett Helms, en stabsforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry. Molecular Foundry er en DOE Office of Science User Facility, der er specialiseret i nanovidenskabsforskning.

"Vi var i stand til at se disse dråber gennemgå disse fasetransformationer i realtid, " sagde Helms. "At se er at tro. Vi ser på de mekaniske egenskaber af en 2-D væske og et 2-D fast stof." Resultaterne blev offentliggjort online 3. august i Videnskabens fremskridt .

De iagttog denne bevægelse mellem de to stater blot ved at se på ændringer i formen af ​​dråben. Ændringerne giver information om spændingen på overfladen af ​​dråben, som at observere overfladen af ​​en oppustning eller tømning af ballonen.

De brugte et atomkraftmikroskop, som fungerer som en lille pladespillernål til at bevæge sig hen over dråbens overflade for at måle dens mekaniske egenskaber.

Den seneste undersøgelse bygger på tidligere forskning af Russell og Helms, gæsteforskere, og andre i Berkeley Labs Materials Sciences Division og på Molecular Foundry for at forme kompleks, flydende 3D-strukturer ved at sprøjte tråde af vand ind i silikoneolie.

Mens ændring af flydende tilstand til fast tilstand typisk involverer temperaturændringer, i denne seneste undersøgelse introducerede forskere i stedet en kemisk forbindelse kendt som en ligand, der binder sig til overfladen af ​​nanopartiklerne på en præcis måde.

"Vi demonstrerede ikke kun, at vi kunne tage disse 2-D materialer og gennemgå denne overgang fra et fast stof til en væske, men også kontrollere den hastighed, hvormed dette sker ved at bruge en ligand i en defineret koncentration, " sagde Helms.

Ved højere koncentrationer af ligand, samlingen af ​​nanokrystaller afslappet hurtigere fra en fastklemt tilstand til en ikke-jammet tilstand.

Forskere fandt også ud af, at de kunne manipulere egenskaberne af de flydende dråber i olieopløsningen ved at anvende et magnetfelt - feltet kan deformere dråben ved at tiltrække de jernholdige nanokrystaller, for eksempel, og ændre spændingen ved overfladen af ​​dråberne.

At finde nye måder at kontrollere sådanne flydende systemer på kunne være nyttige til at interagere med levende systemer, Helms sagde, såsom celler eller bakterier.

"I bund og grund kunne du have evnen til at kommunikere med dem - flyt dem, hvor du vil have dem hen, eller flytte elektroner eller ioner til dem, " sagde Russell. "At være i stand til at få adgang til dette ved simple input er værdien af ​​dette."

Undersøgelsen er også værdifuld til at vise grundlæggende kemiske og mekaniske egenskaber ved selve nanokrystallerne.

Helms bemærkede, at enkelheden i den seneste undersøgelse burde hjælpe andre til at lære af og bygge videre på forskningen. "Vi brugte ikke noget kompliceret her. Vores mål er at vise, at alle kan gøre dette. Det giver smart indsigt i nanokemi ved grænseflader. Det viser os også, at kemiske systemer kan designes med skræddersyede strukturer og egenskaber i tidsdomænet som såvel som i det rumlige domæne."

Fremtidig forskning kunne fokusere på, hvordan man miniaturiserer de flydende strukturer til biologiske anvendelser eller til energianvendelser i 2-D materialer, bemærkede Russell.

"Skønheden i dette arbejde er manipulationen af ​​elementer i nanoskala, kun milliardtedele af en tomme i størrelse, til større konstruktioner, der reagerer og tilpasser sig deres omgivelser eller til specifikke triggere, " han sagde.