Vloeistofstructuren - vloeistofdruppels die een specifieke vorm behouden - zijn nuttig voor een verscheidenheid aan toepassingen, van voedselverwerking tot cosmetica, medicijn, en zelfs aardoliewinning, maar onderzoekers moeten het volledige potentieel van deze opwindende nieuwe materialen nog benutten, omdat er niet veel bekend is over hoe ze zich vormen.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van Berkeley Lab heeft real-time video's met hoge resolutie vastgelegd van vloeibare structuren die vorm krijgen als oppervlakteactieve nanodeeltjes (NPS's) - zeepachtige deeltjes van slechts een miljardste van een meter groot - die stevig op elkaar klemmen, zij aan zij, om een ​​vaste laag te vormen op het grensvlak tussen olie en water.

Hun bevindingen, onlangs te zien op de cover van wetenschappelijke vooruitgang , zou onderzoekers kunnen helpen om vloeibare structuren beter te optimaliseren om nieuwe biomedische toepassingen vooruit te helpen, zoals herconfigureerbare microfluïdica voor het ontdekken van geneesmiddelen en volledig vloeibare robotica voor gerichte toediening van kankermedicijnen, onder andere.

In experimenten onder leiding van co-auteur Paul Ashby, een stafwetenschapper in de Molecular Foundry and Materials Sciences Division van Berkeley Lab, en Yu Chai, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in de Ashby-groep die nu een assistent-professor is aan de City University of Hong Kong, de onderzoekers gebruikten een speciale beeldvormingstechniek genaamd atomic force microscopy (AFM) om de allereerste real-time films te maken van de NPS's die bij elkaar kwamen en vastliepen bij de olie-waterinterface, een cruciale stap in het vergrendelen van een vloeistof in een specifieke vorm.

De films van de onderzoekers onthulden een portret van de NPS-interface met ongekend detail, inclusief de grootte van elke NPS, of de interface uit één of meerdere lagen bestond, en hoeveel tijd is verstreken, tot de tweede, voor elke NPS om te hechten aan en zich te vestigen in de interface.

De spectaculaire AFM-beelden toonden ook de hoek waaronder een NPS op het grensvlak "zit", een onverwacht resultaat. "We waren verrast door hoe ruw de interfaces zijn, " Ashby zei. "We hadden altijd illustraties gemaakt van een uniforme interface met nanodeeltjes die onder dezelfde contacthoek waren bevestigd, maar in onze huidige studie, we ontdekten dat er eigenlijk veel variatie is."

De meeste beeldvormingstools op nanoschaal kunnen alleen immobiele monsters onderzoeken die droog of bevroren zijn. In de afgelopen paar decennia, Ashby heeft zijn onderzoek gericht op het ontwikkelen van unieke AFM-mogelijkheden waarmee de gebruiker de sondepunt kan bedienen, zodat deze voorzichtig in wisselwerking staat met snel bewegende monsters, zoals de NPS van de huidige studie, zonder de onderliggende vloeistof aan te raken - een uitdagende prestatie.

"Afbeelding van een vloeibare structuur op nanoschaal, en de nanodeeltjes in realtime in vloeistof zien bewegen met behulp van een AFM-sonde - dat zou niet mogelijk zijn zonder de uitgebreide expertise van Paul, " zei co-auteur Thomas Russell, een bezoekende faculteitswetenschapper en professor in polymeerwetenschap en -techniek van de Universiteit van Massachusetts, die het Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids-programma leidt in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "Dit soort mogelijkheden zijn nergens anders beschikbaar, behalve bij de Molecular Foundry."

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om het effect van zelfrijdende deeltjes in NPS-vloeistofstructuren te bestuderen.