Nanopartikelgel forener olie og vand i en fremstillingsvenlig tilgang

Olie og vand må ikke blandes, men tilføjelse af de rigtige nanopartikler til opskriften kan konvertere disse to ublandbare væsker til en eksotisk gel med anvendelser lige fra batterier til vandfiltre til farveskiftende smarte vinduer. En ny tilgang til at skabe denne usædvanlige klasse af bløde materialer kunne føre dem ud af laboratoriet og ud på markedet.

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Delaware har fundet, hvad der ser ud til at være en bedre måde at skabe disse geler på, som har været et område med intens forskningsfokus i mere end et årti. En del af deres potentielt brede nytte er det komplekse sæt af indbyrdes forbundne mikroskopiske kanaler, der dannes i dem, skabe en svampelignende struktur. Disse kanaler tilbyder ikke kun passager, som andre materialer kan rejse igennem, gør dem nyttige til filtrering, men også give gelen en stor mængde indre overfladeareal, en egenskab, der er værdifuld til at fremskynde kemiske reaktioner eller som stillads, hvorpå levende væv kan vokse.

Mens disse og andre fordele får det til at lyde som om gelinnovatorer har ramt olie, deres kreationer har endnu ikke blandet sig godt med markedspladsen. Gelerne er almindeligvis dannet af to flydende opløsningsmidler blandet sammen. Som med olie og vand, disse opløsningsmidler blandes ikke godt, men for at forhindre dem i at skilles helt ad, forskere tilføjer specialdesignede nanopartikler, der kan blive ved grænsefladen mellem dem. Ved omhyggelig tilberedning af disse ingredienser kan der dannes en sammenhængende gel. Imidlertid, processen er krævende, fordi det har været svært at specialdesigne nanopartikler til hver applikation, og dannelse af gelerne har krævet omhyggeligt kontrolleret hurtig temperaturændring. Disse begrænsninger har gjort det svært at skabe denne type gel i mere end små mængder egnet til laboratorieeksperimenter snarere end i industriel skala.

Som beskrevet i en ny Naturkommunikation papir, NIST/Delaware-teamet har fundet måder at omgå mange af disse problemer. Dens nye tilgang danner, hvad forskerne refererer til som en "SeedGel, "en forkortelse for "solvent segregation driven gel." I stedet for at designe nanopartikler, der forbliver ved grænsefladen mellem de to opløsningsmidler, deres valgte partikler koncentreres i en af ​​dem. Mens disse partikler har tendens til at frastøde hinanden, partiklernes affinitet til et af opløsningsmidlerne er stærkere og holder dem sammen i kanalen. Brug af neutronspredningsværktøjer på NIST Center for Neutron Research (NCNR), holdet beviste utvetydigt, at det var lykkedes at koncentrere nanopartiklerne, hvor det ville.

Den resulterende gel kunne være meget nemmere at skabe, da dets to opløsningsmidler i det væsentlige er olie og vand, og dens nanopartikler er siliciumdioxid - i det væsentlige små kugler af almindelig kvarts. Det kan også have en række industrielle anvendelser.

"Vores SeedGel har stor mekanisk styrke, det er meget nemmere at lave, og processen er skalerbar til, hvad producenterne har brug for, " sagde Yun Liu, som både er en NCNR-videnskabsmand og en tilknyttet fuld professor ved University of Delaware. "Derudover er den termo-vendbar."

Denne reversibilitet refererer til en optisk egenskab, som den færdige SeedGel besidder:Den kan skifte fra gennemsigtig til uigennemsigtig og tilbage igen, blot ved at ændre dens temperatur. Denne egenskab kunne udnyttes i smarte vinduer, der klemmer et tyndt lag af gelen mellem to glasruder.

"Denne optiske egenskab kunne også gøre SeedGel nyttig i andre lysfølsomme applikationer, " sagde Yuyin Xi, en forsker fra University of Delaware, der også arbejder ved NCNR. "De kunne være nyttige i sensorer."

Fordi holdets gel-fremgangsmåde kunne bruges sammen med andre opløsningsmiddel- og nanopartikelkombinationer, det kan blive nyttigt i filtre til vandrensning og muligvis andre filtreringsprocesser afhængigt af hvilken type nanopartikler der bruges.

Liu sagde også, at skabelsestilgangen tillader, at størrelsen af ​​kanalerne i gelen kan indstilles ved at ændre den hastighed, hvormed temperaturen ændres under dannelsesprocessen, tilbyder applikationsdesignere en anden grad af frihed til at udforske.

"Vores er en generisk tilgang, der fungerer for mange forskellige nanopartikler og opløsningsmidler, " sagde han. "Det udvider i høj grad anvendelsen af ​​denne slags geler."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.