Les scientifiques «placent» des nanocristaux dans une gouttelette liquide dans un état solide - et inversement

Anonim

Une équipe dirigée par des scientifiques du Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département américain de l'énergie (Berkeley Lab) a trouvé un moyen de faire ressembler un état liquide à un solide, puis d'inverser le processus.

Ils mettent une gouttelette d'un liquide contenant des nanocristaux d'oxyde de fer dans un liquide huileux contenant de minuscules brins de polymère.

Ils ont découvert qu'un additif chimique dans la gouttelette pouvait rivaliser avec le polymère - comme un minuscule bras de fer - sur les nanoparticules à l'intersection des liquides.

Ils ont réussi à provoquer le blocage des nanoparticules assemblées ici, les faisant agir comme un solide, puis à se défaire et à revenir à un état liquide grâce à l'action push-pull compétitive du polymère et de l'additif.

"La capacité de se déplacer entre ces états bloqués et entravés a des conséquences sur le développement de l’électronique entièrement liquide et sur l’interaction avec les cellules et le contrôle des fonctions cellulaires", a déclaré Tom Russell de la Division des sciences des matériaux de Berkeley Lab., un scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. The Molecular Foundry est un bureau d’exploitation du DOE spécialisé dans la recherche en nanosciences.

"Nous avons pu observer ces gouttelettes subir ces transformations de phase en temps réel", a déclaré Helms. "Voir, c'est croire. Nous examinons les propriétés mécaniques d'un liquide 2D et d'un solide 2-D." Les résultats ont été publiés en ligne le 3 août dans Science Advances.

Ils ont observé ce mouvement entre les deux états simplement en regardant les changements dans la forme de la goutte. Les modifications fournissent des informations sur la tension à la surface de la gouttelette, comme l'observation de la surface d'un ballonnet de gonflage ou de dégonflage.

Ils ont utilisé un microscope à force atomique, qui fonctionne comme une petite aiguille de lecteur de disques pour se déplacer sur la surface de la gouttelette afin de mesurer ses propriétés mécaniques.

La dernière étude s'appuie sur des recherches antérieures menées par Russell et Helms, des chercheurs invités et d'autres spécialistes de la division des sciences des matériaux de Berkeley Lab et Molecular Foundry pour sculpter des structures 3-D complexes entièrement liquides en injectant des fils d'eau dans de l'huile de silicone.

Bien que le changement d'états liquides en états solides implique généralement des changements de température, les chercheurs ont plutôt introduit un composé chimique appelé ligand qui se lie à la surface des nanoparticules de manière précise.

"Nous avons démontré non seulement que nous pouvions prendre ces matériaux 2-D et subir cette transition d'un solide à un liquide mais également contrôler la vitesse à laquelle cela se produit grâce à l'utilisation d'un ligand à une concentration définie", a déclaré Helms.

À des concentrations plus élevées de ligand, l'assemblage des nanocristaux s'est relâché plus rapidement d'un état bloqué à un état non bloqué.

Les chercheurs ont également découvert qu’ils pouvaient manipuler les propriétés des gouttelettes liquides dans la solution d’huile en appliquant un champ magnétique: le champ peut déformer la gouttelette en attirant les nanocristaux contenant du fer, par exemple, et modifier la tension à la surface des gouttelettes..

La recherche de nouveaux moyens de contrôler de tels systèmes entièrement liquides pourrait être utile pour interagir avec des systèmes vivants, a déclaré Helms, tels que des cellules ou des bactéries.

"Essentiellement, vous pourriez être en mesure de communiquer avec eux - déplacez-les où vous voulez qu'ils aillent, ou déplacez des électrons ou des ions vers eux", a déclaré Russell. "Pouvoir accéder à ceci par des entrées simples est la valeur de ceci."

L'étude est également utile pour montrer les propriétés chimiques et mécaniques fondamentales des nanocristaux eux-mêmes.

Helms a noté que la simplicité de la dernière étude devrait aider les autres à tirer les leçons de la recherche et à en tirer parti. "Nous n'avons rien utilisé de compliqué ici. Notre objectif est de montrer que tout le monde peut le faire. Il fournit un aperçu intelligent de la nanochimie aux interfaces. Il nous montre également que les systèmes chimiques peuvent être conçus avec des structures et des propriétés personnalisées. ainsi que dans le domaine spatial. "

Les recherches futures pourraient porter sur la manière de miniaturiser les structures liquides pour des applications biologiques ou pour des applications énergétiques dans des matériaux à deux dimensions, a noté M. Russell.

"La beauté de ce travail est la manipulation d'éléments à l'échelle nanométrique, de quelques milliards de pouce seulement, dans des structures plus vastes qui répondent et s'adaptent à leur environnement ou à des déclencheurs spécifiques", a-t-il déclaré.

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