Selvsamlende saltkrystal origamikugler i nanoskala omslutter væsker

Forskere har udviklet en teknik, hvorved de spontant kan indkapsle mikroskopiske dråber af vand- og olieemulsion i en lille kugle lavet af saltkrystaller - lidt som et minuts selvkonstruerende origami-fodbold fyldt med væske. Processen, som de kalder 'crystal capillary origami', kan bruges inden for en række områder fra mere præcis medicinlevering til medicinsk udstyr i nanoskala. Teknikken er beskrevet i et papir, der vises i tidsskriftet Nanoscale den 21. september.

Kapillærvirkning eller 'kapillaritet' vil være velkendt for de fleste mennesker som den måde, hvorpå vand eller andre væsker kan bevæge sig op ad smalle rør eller andre porøse materialer, tilsyneladende i strid med tyngdekraften (f.eks. i planters vaskulære systemer, eller endnu mere simpelt , tegning af maling mellem hårene på en pensel). Denne effekt skyldes kohæsionskræfterne (tendensen af ​​en væskes molekyler til at klæbe sammen), hvilket resulterer i overfladespænding og adhæsion (deres tendens til at klæbe til overfladen af ​​andre stoffer). Kapillaritetens styrke afhænger af væskens kemi, det porøse materiales kemi og af de andre kræfter, der virker på dem begge. For eksempel vil en væske med lavere overfladespænding end vand ikke være i stand til at holde et vandstrider-insekt op.

Mindre kendt er et beslægtet fænomen, elasto-kapillaritet, der udnytter forholdet mellem kapillaritet og elasticiteten af ​​et meget lille fladt ark af et solidt materiale. Under visse omstændigheder kan kapillarkræfterne overvinde arkets elastiske bøjningsmodstand.

Dette forhold kan udnyttes til at skabe 'kapillær origami' eller tredimensionelle strukturer. Når en væskedråbe anbringes på det flade ark, kan sidstnævnte spontant indkapsle førstnævnte på grund af overfladespænding. Kapillær origami kan antage andre former, herunder rynkning, bukning eller selvfoldning til andre former. Den specifikke geometriske form, som 3D kapillær-origami-strukturen ender med at tage, bestemmes af både kemien i det flade ark og væsken og ved omhyggeligt at designe arkets form og størrelse.

Der er dog et stort problem med disse små enheder. "Disse konventionelle selvsamlede origami-strukturer kan ikke være fuldstændig sfæriske og vil altid have diskontinuerlige grænser, eller hvad man kan kalde 'kanter', som et resultat af arkets oprindelige todimensionelle form," sagde Kwangseok Park, en ledende forsker. på projektet. Han tilføjede:"Disse kanter kan vise sig at være fremtidige defekter med potentiale for fejl i lyset af øget stress." Ikke-sfæriske partikler er også kendt for at være mere ufordelagtige end sfæriske partikler med hensyn til cellulær optagelse.

Professor Hyoungsoo Kim fra Institut for Maskinteknik forklarede:"Det er grunden til, at forskere længe har været på jagt efter stoffer, der kunne producere en fuldt sfærisk kapillær origamistruktur."

Forfatterne af undersøgelsen har påvist en sådan origami-kugle for første gang. De viste, hvordan væksten af ​​saltkrystaller i stedet for et fladt ark kan udføre kapillær origamivirkning på lignende måde. Det, de kalder 'crystal capillary origami', konstruerer spontant en glat sfærisk skalkapsel ud fra de samme overfladespændingseffekter, men nu er den spontane indkapsling af en væske bestemt af de elasto-kapillære betingelser for voksende krystaller.

Her henviser udtrykket 'salt' til en forbindelse af en positivt ladet ion og en anden negativt ladet. Bordsalt, eller natriumchlorid, er blot et eksempel på et salt. Forskerne brugte fire andre salte:calciumpropionat, natriumsalicylat, calciumnitrat-tetrahydrat og natriumbicarbonat til at omslutte en vand-olie-emulsion. Normalt har et salt såsom natriumchlorid en kubisk krystalstruktur, men disse fire salte danner pladelignende strukturer som krystallitter eller 'korn' (den mikroskopiske form, der dannes, når en krystal først begynder at vokse) i stedet for. Disse plader samles derefter selv til perfekte kugler.

Ved hjælp af scanningselektronmikroskopi og røntgendiffraktionsanalyse undersøgte de mekanismen for en sådan dannelse og konkluderede, at det var 'Laplace-tryk', der driver krystallitpladerne til at dække emulsionsoverfladen. Laplace-trykket beskriver trykforskellen mellem det indre og ydre af en buet overflade forårsaget af overfladespændingen ved grænsefladen mellem de to stoffer, i dette tilfælde mellem saltvandet og olien.

Forskerne håber, at disse selvsamlende nanostrukturer kan bruges til indkapslingsapplikationer i en række sektorer, fra fødevareindustrien og kosmetik til lægemiddellevering og endda bittesmå medicinske anordninger. + Udforsk yderligere

Naturinspirerede belægninger kan drive små kemi-laboratorier til medicinske tests og mere