(Phys.org) -- Onderzoekers van het NIST Center for Nanoscale Science and Technology hebben driedimensionale single-particle tracking gebruikt om het dynamische gedrag te meten van individuele nanodeeltjes die zijn geadsorbeerd aan het oppervlak van oliedruppeltjes op micrometerschaal in water.

De resultaten lieten zien dat de diffusie van de deeltjes afhangt van hun grootte, met kleinere deeltjes die veel langzamer diffunderen dan verwacht. Een gedetailleerd begrip van hoe colloïdale nanodeeltjes interageren met interfaces is essentieel voor het ontwerpen ervan voor specifieke toepassingen op gebieden variërend van medicijnafgifte tot olie-exploratie en -winning. De onderzoekers ontwikkelden een feedbackbesturingssysteem met realtime besturingselektronica om een ​​piëzo-elektrisch podium aan te sturen, het monster verplaatsen om het bewegende nanodeeltje in het observatievolume van een optische microscoop te vergrendelen.

De techniek, die fotonen activeert die in situ zijn verzameld van een individueel fluorescerend nanodeeltje, biedt driedimensionale positie-informatie met hoge resolutie met een uitstekende tijdresolutie en met het extra voordeel van gevoeligheid voor chemische activiteit. Deeltjes met een grootte van 20 nm tot 2000 nm werden in realtime gevolgd terwijl ze vrij verspreidden in water en over de gebogen oppervlakken van oliedruppeltjes van verschillende grootte. Zoals verwacht, de diffusiecoëfficiënten geschaald met deeltjesgrootte voor de vrij diffunderende deeltjes. Echter, er was een significante en onverwachte afname van de diffusiecoëfficiënten voor kleinere ( <200 nm) nanodeeltjes wanneer ze diffunderen op het olie-watergrensvlak.

Verder, voor een bepaalde deeltjesgrootte, de onderzoekers zagen een grote spreiding in de diffusiecoëfficiënten gemeten aan het grensvlak, terwijl een dergelijk effect niet werd waargenomen voor de vrij diffunderende deeltjes. Om de metingen beter af te stemmen, het basismodel dat goed werkt voor grotere deeltjes die diffunderen op een vloeistof-vloeistofinterface, moest worden aangepast om rekening te houden met lijnspanning (de eendimensionale analoog van oppervlaktespanning) op het grensvlak tussen de kleinere nanodeeltjes, de olie, en het water.

De onderzoekers zijn van mening dat de variabiliteit in de diffusiecoëfficiënten van de aan het grensvlak geadsorbeerde deeltjes hoogstwaarschijnlijk een weerspiegeling is van subtiele variaties in de oppervlaktechemie van de deeltjes, wat suggereert dat diffusiemetingen een nieuwe manier kunnen bieden om de oppervlaktechemie van deeltjes te vergelijken. Terwijl het volgen van de dynamiek van geïsoleerde deeltjes veel bruikbare inzichten biedt in hun gedrag, typische door de mens gemaakte en natuurlijke systemen zijn meestal veel complexer, met heterogene vloeistoffen, drukke omgevingen, en sterke deeltjes-deeltje interacties.

De onderzoekers zijn van mening dat het gebruik van real-time, driedimensionaal volgen van deeltjes om opzettelijk ingevoegd te observeren, Single Tracer-deeltjes kunnen een ideaal hulpmiddel zijn om gecompliceerde vloeistofsystemen te onderzoeken, zoals het binnenste van cellen, of olie/watermengsels die in poreus gesteente zijn opgesloten.