Nanopartikel-jamming ved vand-olie-grænsefladen

Fastgørelse af NP'er til tyndt befolket vand-olie-grænseflade. (A) Skematisk diagram, der viser fastgørelsen af en NP til den uberørte vand-olie-grænseflade. (B) Konfokale mikroskopibilleder, der viser fastgørelsen af 500-nm NP'er til vand-olie-grænsefladen. (C) Antal vedhæftede 500-nm NP'er som funktion af tid, hvor hældningen følger ved potenslov på 0,5. (D) In situ AFM-billede af 100- og 300-nm NP'er samlet ved vand-olie-grænsefladen på forskellige tidspunkter:t0 og t0 + 3,0 min. med en cirkel, der fremhæver en vedhæftet begivenhed. (E) Sektionsdata langs pilen i (D), der viser pasform til NP-diameterstørrelse og -position i grænsefladen. (F) Placeringer af de samlede NP'er på forskellige tidspunkter:t0 (rød) og t0 + 3,0 min (blå), hvor den åbne blå cirkel repræsenterer den nyligt vedhæftede NP. Skala barer, 20 μm (B) og 200 nm (D og F). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb8675

Online forsiden af Videnskabens fremskridt denne uge byder på samling af nanopartikel-overfladeaktive stoffer ved en fast-væske-grænseflade ved hjælp af avancerede mikroskopiteknikker såsom laserscanning konfokalmikroskopi og atomkraftmikroskopi. Materialeforskere havde udforsket samlingen af faste stoffer ved en væskegrænseflade i årtier for at forstå malm (en kompleks og stabil kemisk forbindelse) rensning, emulsions- og indkapslingsprocesser. I en ny rapport, Yu Chai og et forskerhold ved Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California Berkeley, Hong Kong Polytechnic University og Tohoku University, i USA, Kina og Japan, viste, hvordan elektrostatiske interaktioner mellem nanopartikler og ligander dannede nanopartikeloverfladeaktive stoffer ved vand-olie-grænseflader. De resulterende "fastklemte" strukturer producerede et fast-lignende lag. Når arealtætheden af nanopartikel-overfladeaktive stoffer steg ved grænsefladen, yderligere vedhæftning krævede kooperativ forskydning af tidligere samlede nanopartikeloverfladeaktive stoffer. Den høje rum-tid-opløsning af deres observationer afslørede den komplekse mekanisme for vedhæftning og arten af nanopartikelsamling.

Observation af faste stoffer ved væskegrænseflader

I dette arbejde, Chai et al. brugt atomic force microscopy (AFM) kombineret med laser scanning konfokal mikroskopi (LSCM) for at opnå bemærkelsesværdige detaljer om faste stoffer ved væskegrænseflader for at give indsigt i nanopartikel jamming fænomener. Materialeforskere i anvendt teknik er interesserede i samling af faste stoffer ved væskegrænseflader til applikationer som malmrensning, emulsion og indkapsling baseret på grænsefladesegregering. Når partikelstørrelsen falder, bindingsenergien af partiklen ved grænsefladen kan falde, resulterer i adsorption og desorption af nanopartikler. Hvis nanopartikler, der er opløselige i én væske, interagerer med endefunktionaliserede ligander i en anden ublandbar væske, forskere kan øge nanopartiklernes bindingsenergi til grænsefladen for at danne nanopartikeloverfladeaktive stoffer. Den meget høje bindingsenergi ved adsorption kan drive systemet til en ikke-ligevægtstilstand.

Regulering af grænsefladespændingen

Holdet karakteriserede grænsefladen mellem to ikke-blandbare væsker ved at beregne grænsefladespændingen (γ). Når negativt ladede nanopartikler blev spredt i den vandige fase, grænsefladespændingen blev ikke påvirket, fordi nanopartiklerne ikke samlede sig ved grænsefladen på grund af den iboende negative ladning ved vand-olie-grænsefladen. Imidlertid, polymere overfladeaktive midler, såsom amintermineret polydimethylsiloxan (PMDS-NH ₂ ), opløst i silikoneolie og samlet til et monolag ved grænsefladen for at reducere grænsefladespændingen. Størrelsen af reduceret grænsefladespænding afhang af koncentrationen af PDMS-NH ₂ og molekylvægt af PDMS-kæden.

Online cover – jamming af nanopartikler (NP). Nanopartikel-overfladeaktive stoffer binder til olie-vand-grænseflader. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb8675

Teamet noterede sig en tilknytningsproces, hvor carboxylsyrefunktionaliserede nanopartikler diffunderede til grænsefladen og interagerede med kationiske polymere overfladeaktive stoffer (PDMS-NH ₃ ⁺ ) for at danne nanopartikel-overfladeaktive stoffer. Ved at mærke nanopartiklerne med fluorescerende markører, Chai et al. undersøgte adsorptionsprocessen under lav opløsning ved hjælp af laser scanning konfokal mikroskopi. Adsorptionskinetikken var i overensstemmelse med Ficks lov; dvs. at gå fra et område med høj koncentration til et område med lav koncentration proportionalt med koncentrationsgradienten, med bemærkelsesværdig Fickian diffusionskontrol af vedhæftning. Resultaterne, derfor, understøttet diffusionsstyret adsorption til grænsefladen, hvor energibarrieren for vedhæftning var lavere end systemets termiske energi. Nanopartiklerne forblev derefter ved grænsefladen efter kontakt med grænsefladen.

Brug af atomkraftmikroskopi til at skelne mellem nanopartikler

Når flere nanopartikler blev samlet ved vand-olie-grænsefladen, laserscanningskonfokalmikroskopiteknikken kunne ikke effektivt skelne dem individuelt - da den minimale separationsafstand oversteg instrumentets opløsning. Holdet brugte derfor atomkraftmikroskopi, til direkte at visualisere fastgørelsen af nanopartikler på vand-olie-grænsefladen i rum-tid. De bestemte derefter nanopartiklernes diametre og position i forhold til grænsefladen og viste nanopartiklers bindingsenergi til grænsefladen som funktion af partikelstørrelse og overfladespænding, ved olie-vand-grænsefladen. Baseret på nanopartiklernes opførsel ved grænsefladen mellem vand og olie, Chai et al bemærkede, hvordan den stigende ladningstæthed i højere grad påvirkede bindingen af det overfladeaktive middel til nanopartiklerne, øger dens overfladeenergi og driver partiklerne længere ind i oliefasen. Bevægelsesdynamikken af nanopartikler blev bremset ved grænsefladen på grund af det mere tætpakkede arrangement.

Fastgørelse af 300-nm NP'er til grundigt befolket vand-olie-grænseflade. (A) Skematisk diagram af fastgørelsen af en 300-nm NP, hvor tidligere NP'er er forskudt lateralt og lodret. (B) Tidsafhængig in situ AFM, der viser fastgørelsen af 300-nm NP til vand-olie-grænsefladen, hvor den hvide cirkel angiver den nyligt adsorberede NP. (C) NPS positionerer ved t0 (rød) og t0 + 5,3 min (blå), hvor den falmede blå prik repræsenterer den nyligt vedhæftede NP, og de falmede røde prikker repræsenterer NPS'er, der ikke kan lokaliseres af AFM efter vedhæftning af den nyligt vedhæftede NP. Skala barer, 200 nm. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb8675

Observerer omlejring af nanopartikler

Når den lokale tæthed af nanopartikler ved grænsefladen steg, der var utilstrækkelig plads til at rumme indtrængen af nye nanopartikler; derfor, samlingen omarrangeret af sig selv. Chai et al. bemærkede denne omlejring ved hjælp af atomkraftmikroskopi, selvom de ikke kvantificerede de observerede udsving. De observerede samarbejdsstrukturelle ændringer af samlede nanopartikler ved grænsefladen for at rumme vedhæftning af yderligere partikler. Interessant nok, flere nanopartikler var ikke påviselige, potentielt fanget under større nanopartikler tilføjet til systemet; imidlertid, holdet kunne ikke observere dette fænomen ved at bruge atomkraftmikroskopi alene. Chai et al. derfor reintegreret laser scanning konfokal mikroskopi (LSCM) til opsætningen for at give indsigt i tilføjelsen af overskydende nanopartikler til de allerede tætte samlinger.

Fastgørelse af NP'er til vand-olie-grænsefladen med samlede NP'er. (A) LSCM-billeder, der viser fastgørelsen af 500-nm NP'er til vand-olie-grænsefladen med samlede 70-nm NPS'er. (B) Antal 500-nm NPS'er i synsfeltet som funktion af tid. (C) In situ AFM-billeder viser sammensætningen af 30- og 300-nm NPS'er ved vand-olie-grænsefladen. (D) In situ AFM-billeder, der viser fastgørelsen af 300-nm NP'er til vand-olie-grænsefladen med samlede 30- og 300-nm NPS'er. (E) Tidsafhængige in situ AFM-billeder, der viser fastgørelsen af en 300-nm NP til vand-olie-grænsefladen dækket af 100- og 300-nm NPS'er, hvor de gule rektangler angiver de berørte områder. (F) Linjeprofiler af regionen vist i (E) indikerer afslapningen af den nyligt vedhæftede 300-nm NP. Skala barer, 20 μm (A), 100 nm (C), 500 nm (D), og 200 nm (E). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb8675

Forskerne inkorporerede yderligere LSCM (laser scanning confocal microscopy) eksperimenter for at undersøge den blandede dispersion af nanopartikler af varierende størrelse for at undersøge deres dynamiske samsamling. Mens store og små partikler samles sammen ved grænsefladen, kun de store nanopartikler kunne klart opløses. Interessant nok, holdet bemærkede mange mørke områder i form af revner, sandsynligvis fra kontakten mellem vand- og oliefaserne i opsætningen. Revnedannelsen afslørede yderligere nye grænsefladeområder, som til sidst selvhelende som et vigtigt varemærke for strukturerede væsker for at bevare deres integritet generelt.

LCSM-videoen viser sammensætningen af 70 nm (rød) og 500 nm (grøn) nanopartikler (NP'er) og selvhelbredende processen. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb8675

Outlook på nanopartikel jamming

På denne måde Yu Chai og kolleger undersøgte samlingen af nanopartikler ved vand-olie-grænsefladen og undersøgte de faktorer, der styrer adsorptionsprocessen. Ved at bruge AFM (atomic force microscopy) og LSCM (laser scanning confocal microscopy), de bemærkede strukturelle ændringer, der opstod på det tidlige stadie af nanopartikelbinding til grænsefladen, herunder diffusionskontrollerede processer. Tilknytningsprocessen var reaktionsstyret, hvor den eksisterende samling udgjorde en elektrostatisk barriere for yderligere nanopartikler, der nærmede sig grænsefladen; derved koordinerer deres omarrangering for at imødekomme vedhæftningen af nye nanopartikler. Ved hjælp af avancerede mikroskopiteknikker, holdet detaljerede vedhæftningsprocessen under forskellige forhold i høj opløsning for at give indsigt i adsorption og jamming for at hjælpe med design og fremstilling af responsive samlinger.

Sidste artikelDNA-nanobots bygger sig selv:Hvordan kan vi hjælpe dem med at vokse på den rigtige måde?

Næste artikelForskere kører en hastighedstest for at øge produktionen af kulstofnanorør