Een nieuwe tweedimensionale film, gemaakt van polymeren en nanodeeltjes en ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), kan twee verschillende niet-mengbare vloeistoffen in een verscheidenheid aan exotische architecturen leiden. Deze bevinding zou kunnen leiden tot zachte robotica, vloeibare circuits, vormveranderende vloeistoffen, en tal van nieuwe materialen die gebruik maken van zachte, in plaats van solide, stoffen.

De studie, vandaag gemeld in het journaal Natuur Nanotechnologie , presenteert de nieuwste inzending in een klasse van stoffen die bekend staat als bicontinue vastgelopen emulsiegels, of sieraden, die veelbelovend zijn als een kneedbare vloeistof die katalytische reacties kan ondersteunen, elektrische geleiding, en energieconversie.

Bijels zijn meestal gemaakt van niet-mengbare, of niet-mengen, vloeistoffen. Mensen die hun fles vinaigrette schudden voordat ze de dressing over hun salade schenken, kennen dergelijke vloeistoffen. Zodra het schudden stopt, de vloeistoffen beginnen weer te scheiden, waarbij de vloeistof met een lagere dichtheid - vaak olie - naar boven stijgt.

vangen, of jammen, deeltjes waar deze niet-mengbare vloeistoffen elkaar ontmoeten, kunnen voorkomen dat de vloeistoffen volledig scheiden, stabiliseren van de stof in een bijel. Wat bijels opmerkelijk maakt, is dat, in plaats van alleen de bolvormige druppeltjes te maken die we normaal zien als we olie en water proberen te mengen, de deeltjes op het grensvlak vormen de vloeistoffen tot complexe netwerken van onderling verbonden vloeistofkanalen.

Bijels zijn notoir moeilijk te maken, echter, met exacte temperaturen in precies getimede stadia. In aanvulling, de vloeistofkanalen zijn normaal gesproken meer dan 5 micrometer breed, waardoor ze te groot zijn om bruikbaar te zijn bij energieconversie en katalyse.

"Bijels zijn al lang interessant als materialen van de volgende generatie voor energietoepassingen en chemische synthese, " zei hoofdauteur Caili Huang van de studie. "Het probleem heeft er genoeg van gemaakt, en met kenmerken van de juiste maat. In dit werk, we kraken dat probleem."

Huang begon het werk als een afgestudeerde student bij Thomas Russell, de hoofdonderzoeker van het onderzoek, bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, en hij zette het project voort als postdoctoraal onderzoeker bij DOE's Oak Ridge National Laboratory.

Een nieuw bijelrecept maken

De methode die in deze nieuwe studie wordt beschreven, vereenvoudigt het bijelproces door eerst speciaal gecoate deeltjes met een diameter van ongeveer 10-20 nanometer te gebruiken. De kleinere deeltjes bekleden de vloeistofinterfaces veel sneller dan degene die worden gebruikt in traditionele bijels, waardoor de kleinere kanalen zeer gewaardeerd worden voor toepassingen.

"We hebben in feite vloeistoffen zoals olie en water genomen en ze een structuur gegeven, en het is een structuur die kan worden veranderd, " zei Russel, een bezoekende faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab. "Als de nanodeeltjes reageren op elektrische, magnetisch, of mechanische prikkels, de bijels kunnen op verzoek herconfigureerbaar en opnieuw gevormd worden door een extern veld."

De onderzoekers waren in staat om nieuwe bijels te maken van een verscheidenheid aan veel voorkomende biologische, in water onoplosbare oplosmiddelen, zoals tolueen, waarin liganden waren opgelost, en gedeïoniseerd water, waarin de nanodeeltjes zaten. Om een ​​grondige vermenging van de vloeistoffen te garanderen, ze onderwierpen de emulsie aan een draaikolk van 3, 200 omwentelingen per minuut.

"Dit extreme schudden creëert een hele reeks nieuwe plaatsen waar deze deeltjes en polymeren elkaar kunnen ontmoeten, " zei co-auteur Joe Forth, een postdoctoraal onderzoeker bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "Je synthetiseert veel van dit materiaal, die in feite een dunne, 2-D coating van de vloeistofoppervlakken in het systeem."

De vloeistoffen bleven zelfs na een week een bijel, een teken van de stabiliteit van het systeem.

Russel, die ook hoogleraar polymeerwetenschap en -techniek is aan de Universiteit van Massachusetts-Amherst, voegde eraan toe dat deze vormveranderende kenmerken waardevol zouden zijn in microreactoren, microfluïdische apparaten, en zachte aandrijvingen.

Nanoparticle supersoap

Nanoparticles had not been seriously considered in bijels before because their small size made them hard to trap in the liquid interface. To resolve that problem, the researchers coated nano-sized particles with carboxylic acids and put them in water. They then took polymers with an added amine group - a derivative of ammonia - and dissolved them in the toluene.

This configuration took advantage of the amine group's affinity to water, a characteristic that is comparable to surfactants, zoals zeep. Their nanoparticle "supersoap" was designed so that the nanoparticles join ligands, forming an octopus-like shape with a polar head and nonpolar legs that get jammed at the interface, aldus de onderzoekers.

"Bijels are really a new material, and also excitingly weird in that they are kinetically arrested in these unusual configurations, " said study co-author Brett Helms, a staff scientist at Berkeley Lab's Molecular Foundry. "The discovery that you can make these bijels with simple ingredients is a surprise. We all have access to oils and water and nanocrystals, allowing broad tunability in bijel properties. This platform also allows us to experiment with new ways to control their shape and function since they are both responsive and reconfigurable."

The nanoparticles were made of silica, but the researchers noted that in previous studies they used graphene and carbon nanotubes to form nanoparticle surfactants.

"The key is that the nanoparticles can be made of many materials, " said Russell. "The most important thing is what's on the surface."