Door het onderzoek van objecten tot op nanometerschaal te verkleinen, worden vaak nieuwe eigenschappen van materie onthuld die geen equivalent hebben voor hun bulkanalyse. Dit fenomeen motiveert veel huidige onderzoeken naar nanomaterialen die fascinerende nieuwe fenomenen kunnen onthullen.

Het inspireerde een groep onderzoekers van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) om de omvang van onze kennis over fundamentele eigenschappen van vloeistoffen te onderzoeken, die heroverweging vereist met het toenemende gebruik van vloeistoffen in de afnemende maten van nieuwe apparaten, waar hun stroom wordt beperkt tot steeds kleinere capillaire buizen.

Zoals de groep meldt in The Journal of Chemical Physics ze ontdekten een eigenaardige staat van mengbaarheid, of mengbaar, vloeistoffen in nanokanalen.

Deze eigenaardige toestand "komt overeen met een goed geordende, concentrische opstelling van twee naast elkaar bestaande vloeistofgebieden van verschillende samenstelling, " zei Denis Morineau, onderzoeksdirecteur bij CNRS, in Rennes. "Eén gebied vormt een schil rond een tweede vloeibare kern, die beide een radiale dikte van slechts één tot vier molecuulgroottes hebben.

"[Het fenomeen] staat bekend als 'microfasescheiding' omdat het niet betekent dat de bestanddelen van de twee vloeistofgebieden inderdaad in fasen zullen scheiden, " zei hij. "Ze vormen eigenlijk een unieke homogene vloeibare fase onder normale omstandigheden. In feite, deze verborgen neiging van binaire vloeistoffen om spontane supramoleculaire geordende structuren te vormen, wordt alleen op microscopische schaal onthuld."

Op de basisschool, veel leerlingen experimenteren met inktdruppels van, zeggen, een vulpen om hun verspreiding in een glas water te observeren. Eventueel, de druppel verspreidt zich volledig en de mengbare combinatie leidt tot de vorming van een homogene, lichtblauwe oplossing.

"Dit toont aan dat twee vloeistoffen volledig mengbaar zijn en dat hun binaire mengsel een enkele vloeibare fase vormt bij thermodynamisch evenwicht, "zei Morineau. "Nu, door verschillende paren eenvoudige oplosmiddelen te combineren, we hebben aangetoond dat deze inherente eigenschap van volledig mengbare binaire vloeistoffen ongeldig wordt wanneer de containergrootte wordt verkleind."

Effectief, ze hebben direct gemeten hoe klein te klein is om een ​​monster van twee mengbare vloeistoffen als een gecombineerde oplossing te beschouwen.

Dit fenomeen werd voor het eerst waargenomen tijdens een neutronenverstrooiingsexperiment dat werd uitgevoerd in de Franse Neutron National Source Orphée in het Laboratorium Léon Brillouin (LLB). Het onderzoek is bij LLB verder ontwikkeld in samenwerking met de European Large Scale Facility (Instituut Laue-Langevin).

"Verspreide neutronen onthullen waar atomen zich in het monster bevinden met een ruimtelijke resolutie die de nanometerschaal bereikt, " Zei Morineau. "De unieke methode is gevoelig voor de isotopische aard van het atoom. In tegenstelling tot röntgenstralen, ze geven een duidelijk onderscheid tussen waterstof en (de waterstofisotoop) deuterium."

De groep paste deze methode toe om de structuur van eenvoudige oplosmiddelen zoals koolwaterstoffen en alcoholen, geïmpregneerd in synthetisch, poreuze vaste stoffen gemaakt van silicaglas. Het glas had een honingraatachtige opstelling van evenwijdige, acht nanometer brede cilindrische kanalen. Het poreuze materiaal diende als een verzameling reageerbuisjes ter grootte van een nanometer.

Morineau's groep mengde moleculen van dezelfde vloeistof, maar verschilt in het totale aantal neutronen van de uitwisseling van waterstofatomen met zijn zwaardere isotoop, deuterium. Met de juiste verhoudingen het mengsel kan worden afgestemd om neutronen te verstrooien die overeenkomen met de verstrooiing van de glazen buizen, waardoor de twee niet van elkaar te onderscheiden zijn.

"We gebruikten deze truc voor het eerst om vloeistoffen te bereiden en op te sluiten die dezelfde interactie met neutronen hebben als de nanocapillairen van silicaglas. het neutron is blind voor de vloeistof en de gemeten verstrooide intensiteit wordt geannuleerd, "Zei Morineau. "[Met inkt zou dit] overeenkomen met de situatie waarin zowel de geïnkte oplossing als de glazen houder exact dezelfde kleur hebben, waardoor ze niet van elkaar te onderscheiden zijn."

De groep had een verrassende observatie voor enkele vertrouwelijke binaire vloeistoffen, waar ze neutronen matching verwachtten, maar het signaal was hoger dan ooit.

"Dit was het eerste directe bewijs dat het paradigma van een homogene samenstelling in een volledig mengbaar mengsel binnen nanokanalen moet worden afgebroken, ' zei Morineau.

Voor echte toepasbaarheid, de groep breidde een reeks zorgvuldig ontworpen experimenten uit om methoden vast te stellen voor het labelen van de componenten van binaire vloeistoffen.

"Gecombineerd met de ontwikkeling van een rekenmodel, het vertoont een uitstekende overeenkomst met onze huidige experimenten, "Zei Morineau. "We hebben een handige methode ontwikkeld om de originele structuren van vloeistoffen te beoordelen die zijn opgenomen in omgevingen op nanometerschaal."

Het manipuleren van vloeistoffen in nanogestructureerde poriën is een activiteit die veel voorkomt in scheikunde- en materiaalwetenschappelijke processen. maar speelt ook een belangrijke rol in biologische omgevingen waar de onderzoekers verwachten dat hun werk een brede toepasbaarheid heeft.

"Onze studie suggereert dat microfasescheiding, als een nieuw type nanostructuur, resultaten van de gelijktijdige effecten van specifieke oppervlakte-interacties en ruimtelijke opsluiting, " zei Morineau. "Dus we zijn enthousiast over de mogelijkheid die de modulatie van beide elementen biedt om een ​​nieuwe controle op supermoleculaire assemblage van complexe mengsels te bevorderen."

Ze zijn van plan om de dynamiek verder te onderzoeken, onevenwichtige eigenschappen en vloeistofstroom binnen dergelijke systemen. "Deze zijn van fundamenteel belang, evenals voor de ontwikkeling van nanofluïdische apparaten, " zei hij. "We werken nu samen met twee onderzoeksgroepen uit Hamburg om deze verschillende perspectieven te verkennen."