Wissenschaftler pressen Nanokristalle in einem flüssigen Tropfen in einen festen Zustand und wieder zurück

Anonim

Ein Team, das von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums (Berkeley Lab) geleitet wird, fand einen Weg, um einen flüssigkeitsähnlichen Zustand eher wie einen Feststoff zu verhalten und dann den Prozess umzukehren.

Sie setzen ein Tröpfchen einer Flüssigkeit, die Eisenoxid-Nanokristalle enthält, in eine ölige Flüssigkeit, die winzige Polymerstränge enthält.

Sie fanden heraus, dass ein chemischer Zusatzstoff im Tröpfchen mit dem polymerartigen winzigen Tauziehen von Nanopartikeln am Schnittpunkt der Flüssigkeiten konkurrieren kann.

Sie waren in der Lage, die hier zusammengesetzten Nanopartikel zu verklemmen, so dass sie sich wie ein Feststoff verhalten und dann durch die konkurrierende Push-Pull-Wirkung des Polymers und des Additivs entstaubt und in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand zurückkehren.

"Die Fähigkeit, sich zwischen diesen gestauten und nicht gestörten Zuständen zu bewegen, hat Auswirkungen auf die Entwicklung von Flüssigelektronik und die Interaktion mit Zellen und die Steuerung zellulärer Funktionen", sagte Tom Russell von Berkeley Labs Materialwissenschaften, der die Studie zusammen mit Brett Helms leitete, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Molecular Foundry von Berkeley Lab. Die Molecular Foundry ist eine DOE Office of Science-Nutzerfazilität, die sich auf Nanowissenschaften spezialisiert hat.

"Wir konnten beobachten, wie diese Tröpfchen diese Phasenumwandlungen in Echtzeit durchlaufen", sagte Helms. "Sehen heißt glauben. Wir betrachten die mechanischen Eigenschaften einer 2-D-Flüssigkeit und eines 2D-Festkörpers." Die Ergebnisse wurden online 3. August in Science Advances veröffentlicht .

Sie beobachteten diese Bewegung zwischen den beiden Staaten einfach, indem sie Veränderungen in der Form des Tröpfchens betrachteten. Die Änderungen liefern Informationen über die Spannung auf der Oberfläche des Tröpfchens, wie beispielsweise die Oberfläche eines sich aufblähenden oder deflatierenden Ballons.

Sie verwendeten ein Rasterkraftmikroskop, das sich wie eine winzige Schallplattennadel über die Oberfläche des Tropfens bewegt, um seine mechanischen Eigenschaften zu messen.

Die neueste Studie baut auf früheren Forschungen von Russell und Helms, Gastforschern und anderen in der Materials Sciences Division von Berkeley Lab und in der Molecular Foundry auf, um komplexe, vollflüssige 3D-Strukturen zu modellieren, indem Wasserfäden in Silikonöl injiziert werden.

Während der Wechsel von flüssigen Zuständen zu festen Zuständen typischerweise Temperaturänderungen beinhaltet, haben die Forscher in dieser neuesten Studie stattdessen eine chemische Verbindung eingeführt, die als Ligand bekannt ist und sich präzise an die Oberfläche der Nanopartikel bindet.

"Wir demonstrierten nicht nur, dass wir diese 2-D-Materialien nehmen und diesen Übergang von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit durchmachen können, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der dies geschieht, durch die Verwendung eines Liganden in einer definierten Konzentration", sagte Helms.

Bei höheren Ligandenkonzentrationen lockerte sich die Anordnung von Nanokristallen schneller von einem gestauten Zustand in einen nicht gestörten Zustand.

Die Forscher fanden auch heraus, dass sie die Eigenschaften der Flüssigkeitströpfchen in der Öllösung durch Anlegen eines Magnetfelds manipulieren können - das Feld kann das Tröpfchen beispielsweise durch Anziehen der eisenhaltigen Nanokristalle verformen und die Spannung an der Oberfläche der Tröpfchen verändern .

Die Suche nach neuen Wegen, solche Allflüssigkeiten zu kontrollieren, könnte für die Interaktion mit lebenden Systemen nützlich sein, sagte Helms, wie Zellen oder Bakterien.

"Im Wesentlichen könnten Sie die Fähigkeit haben, mit ihnen zu kommunizieren - bewegen Sie sie, wohin Sie wollen, oder bewegen Sie Elektronen oder Ionen zu ihnen", sagte Russell. "Auf diesen Wert durch einfache Eingaben zugreifen zu können, ist der Wert."

Die Studie ist auch wertvoll, um grundlegende chemische und mechanische Eigenschaften der Nanokristalle selbst zu zeigen.

Helms stellte fest, dass die Einfachheit der neuesten Studie anderen helfen sollte, von der Forschung zu lernen und auf ihr aufzubauen. "Wir haben hier nichts Kompliziertes verwendet. Unser Ziel ist es, jedem zu zeigen, dass es möglich ist. Es bietet einen schlauen Einblick in die Nanochemie an Grenzflächen. Es zeigt uns auch, dass chemische Systeme mit maßgeschneiderten Strukturen und Eigenschaften im Zeitbereich gestaltet werden können." sowie in der räumlichen Domäne. "

Zukünftige Forschung könnte sich darauf konzentrieren, wie man die flüssigen Strukturen für biologische Anwendungen oder für Energieanwendungen in 2-D-Materialien miniaturisiert, bemerkte Russell.

"Das Schöne an dieser Arbeit ist die Manipulation nanoskaliger Elemente, die nur einen Milliardstel Zentimeter groß sind, in größere Konstrukte, die auf ihre Umgebung reagieren oder sich an spezifische Auslöser anpassen", sagte er.

menu
menu