Naukowcy "wyciskają" nanokryształy w płynnej kropli do stanu stałego - i z powrotem

Anonim

Zespół kierowany przez naukowców z Laboratorium Krajowego Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) amerykańskiego Departamentu Energii znalazł sposób, aby stan podobny do cieczy zachowywał się bardziej jak bryła, a następnie odwrócił proces.

Umieszczono kroplę cieczy zawierającej nanokryształy tlenku żelaza w oleistej cieczy zawierającej maleńkie polimerowe pasma.

Naukowcy odkryli, że dodatek chemiczny w kropelce może konkurować z polimerem, jak małe przeciągane, wdarte nanocząsteczki na przecięciu płynów.

Były w stanie spowodować, że zgromadzone tu nanocząsteczki zakleszczyły się, powodując, że zachowuje się jak ciało stałe, a następnie spłynęły i powróciły do ​​stanu przypominającego ciecz przez konkurencyjne działanie push-pull polimeru i dodatku.

"Możliwość poruszania się pomiędzy tymi stanami zablokowanymi i nieuszkodzonymi ma wpływ na rozwój elektroniki w pełni płynnej oraz na interakcje z komórkami i kontrolowanie funkcji komórkowych" - powiedział Tom Russell z działu badań materiałowych w Berkeley Lab, który współtworzył badanie z Brettem Helmsem, pracownik naukowy w Berkeley Lab's Molecular Foundry. Odlewnia Molekularna to obiekt biurowy DOE Office of Science, który specjalizuje się w badaniach nanonaukowych.

"Mogliśmy obserwować, jak te kropelki przechodzą te przemiany fazowe w czasie rzeczywistym" - powiedział Helms. "Widzenie to wiara, patrzymy na właściwości mechaniczne cieczy 2-D i bryły 2-D". Wyniki zostały opublikowane online 3 sierpnia w Science Advances.

Obserwowali ten ruch między dwoma stanami, po prostu patrząc na zmiany w kształcie kropli. Zmiany dostarczają informacji o napięciu na powierzchni kropli, podobnie jak obserwacja powierzchni nadmuchującego lub opróżniającego się balonu.

Użyli mikroskopu sił atomowych, który działa jak maleńka igła gramofonu, aby przesuwać się po powierzchni kropli, aby zmierzyć jej właściwości mechaniczne.

Najnowsze badania opierają się na wcześniejszych badaniach przeprowadzonych przez Russella i Helmsa, wizytujących badaczy i innych w Wydziale Nauk o Materiałach w Berkeley Lab iw Odlewni Molekularnej w celu rzeźbienia złożonych, całkowicie płynnych struktur trójwymiarowych poprzez wtłaczanie nitek wody do oleju silikonowego.

Podczas zmiany stanów ciekłych na stałe panują zwykle zmiany temperatury, w tym ostatnim badaniu naukowcy zamiast tego wprowadzili związek chemiczny znany jako ligand, który w precyzyjny sposób wiąże się z powierzchnią nanocząstek.

"Pokazaliśmy nie tylko, że możemy wziąć te materiały 2-D i przejść to przejście od ciała stałego do cieczy, ale także kontrolować szybkość, z jaką to dzieje się poprzez zastosowanie ligandu w określonym stężeniu" - powiedział Helms.

Przy wyższych stężeniach ligandu, zgromadzenie nanokryształów szybciej odprężyło się od stanu zakleszczenia do stanu nieuszkodzonego.

Naukowcy odkryli również, że mogą manipulować właściwościami kropelek cieczy w roztworze oleju poprzez zastosowanie pola magnetycznego - pole może odkształcać kropelkę poprzez przyciąganie na przykład nanokryształów zawierających żelazo i zmieniać napięcie na powierzchni kropelek.

Znalezienie nowych sposobów kontrolowania takich całkowicie płynnych systemów może być przydatne do interakcji z żywymi systemami, powiedział Helms, na przykład komórki lub bakterie.

"Zasadniczo możesz mieć możliwość komunikowania się z nimi - przenieś je tam, gdzie chcesz, lub przenieś do nich elektrony lub jony" - powiedział Russell. "Możliwość dostępu do tego za pomocą prostych danych wejściowych jest tego warta."

Badanie jest również cenne dla pokazania podstawowych chemicznych i mechanicznych właściwości samych nanokryształów.

Helms zauważył, że prostota ostatniego badania powinna pomóc innym w czerpaniu z nich nauk i czerpaniu z nich inspiracji. "Nie używaliśmy tutaj niczego skomplikowanego, naszym celem jest pokazanie, że każdy może to zrobić, zapewnia sprytny wgląd w nanochemię na interfejsach, a także pokazuje, że systemy chemiczne mogą być zaprojektowane z dopasowanymi strukturami i właściwościami w dziedzinie czasu jako jak również w dziedzinie przestrzeni. "

Przyszłe badania mogłyby skupić się na tym, jak zminiaturyzować płynne struktury do zastosowań biologicznych lub do zastosowań energetycznych w materiałach 2D, zauważył Russell.

"Piękno w tej pracy polega na manipulowaniu nanoskalowymi elementami, wielkości zaledwie miliardowych cala, w większe konstrukcje, które reagują i dostosowują się do otoczenia lub określonych czynników wyzwalających" - powiedział.

menu
menu