Stel je voor dat je een glas water zou kunnen drinken door er gewoon een stevige draad in te steken en erop te zuigen alsof het een frisdrankrietje is. Het blijkt dat als je klein genoeg was, die methode zou prima werken - en zou niet eens de afzuiging nodig hebben om te beginnen.

Nieuw onderzoek uitgevoerd aan het MIT en elders heeft voor het eerst aangetoond dat wanneer het in een plas vloeistof wordt ingebracht, nanodraden - draden die slechts honderden nanometers (miljardsten van een meter) breed zijn - trekken de vloeistof van nature naar boven in een dunne film die het oppervlak van de draad bedekt. De bevinding kan toepassingen hebben in microfluïdische apparaten, biomedisch onderzoek en inkjetprinters.

Het fenomeen was voorspeld door theoretici, maar nooit waargenomen omdat het proces te klein is om door optische microscopen te worden gezien; elektronenmicroscopen moeten in een vacuüm werken, waardoor de meeste vloeistoffen vrijwel onmiddellijk zouden verdampen. Om dit te overwinnen, het MIT-team gebruikte een ionische vloeistof genaamd DMPI-TFSI, die zelfs in een krachtig vacuüm stabiel blijft. Hoewel de waarnemingen deze specifieke vloeistof gebruikten, de resultaten worden verondersteld van toepassing te zijn op de meeste vloeistoffen, inclusief water.

De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie door een team van onderzoekers onder leiding van Ju Li, een MIT-professor nucleaire wetenschap en techniek en materiaalwetenschap en techniek, samen met onderzoekers van Sandia National Laboratories in New Mexico, de Universiteit van Pennsylvania, de Universiteit van Pittsburgh, en de Zhejiang-universiteit in China.

Terwijl Li zegt dat dit onderzoek bedoeld was om de basiswetenschap van vloeistof-vaste stof interacties te verkennen, het zou kunnen leiden tot toepassingen in inkjetprinten, of voor het maken van een lab op een chip. "We kijken echt naar vloeistofstroom op een ongekend kleine schaal, " zegt Li - er kunnen zich dus onverwachte nieuwe fenomenen voordoen naarmate het onderzoek vordert.

Op moleculaire schaal, Li zegt, "de vloeistof probeert het vaste oppervlak te bedekken, en het wordt opgezogen door capillaire werking." Bij de kleinste schalen, wanneer de vloeistof een film vormt van minder dan 10 nanometer dik, het beweegt als een gladde laag (een "precursorfilm" genoemd); naarmate de film dikker wordt, een instabiliteit (een Rayleigh-instabiliteit genoemd) treedt in, waardoor druppeltjes ontstaan, maar de druppeltjes blijven verbonden via de voorloperfilm. In sommige gevallen, deze druppeltjes blijven de nanodraad omhoog bewegen, terwijl in andere gevallen de druppeltjes stationair lijken, zelfs als de vloeistof erin naar boven stroomt.

Het verschil tussen de gladde voorloperfilm en de kralen, Li zegt, is dat in de dunnere film, elk molecuul vloeistof is dichtbij genoeg om direct te interageren, door kwantummechanische effecten, met de moleculen van de vaste stof eronder begraven; deze kracht onderdrukt de Rayleigh-instabiliteit die anders kralen zou veroorzaken. Maar met of zonder kralen, de opwaartse stroom van de vloeistof, de aantrekkingskracht van de zwaartekracht trotseren, is een continu proces dat kan worden ingezet voor kleinschalig vloeistoftransport.

Hoewel deze opwaartse trekkracht altijd aanwezig is bij draden op deze kleine schaal, het effect kan op verschillende manieren nog worden versterkt:het toevoegen van een elektrische spanning op de draad verhoogt de kracht, evenals een kleine verandering in het profiel van de draad zodat deze naar één uiteinde taps toeloopt. De onderzoekers gebruikten nanodraden gemaakt van verschillende materialen:silicium, zinkoxide en tinoxide, evenals tweedimensionaal grafeen - om aan te tonen dat dit proces van toepassing is op veel verschillende materialen.

Nanodraden zijn minder dan een tiende van de diameter van fluïdische apparaten die nu worden gebruikt in biologisch en medisch onderzoek, zoals micropipetten, en een duizendste van de diameter van injectienaalden. Op deze kleine schaal vonden de onderzoekers, een massieve nanodraad is net zo effectief in het vasthouden en overbrengen van vloeistoffen als een holle buis. Deze kleinere schaal zou de weg kunnen banen voor nieuwe soorten micro-elektromechanische systemen om onderzoek te doen naar materialen op moleculair niveau.

De methodologie die de onderzoekers hebben ontwikkeld, stelt hen in staat om de interacties tussen vaste stoffen en vloeistofstroom te bestuderen "op bijna de kleinste schaal die je een vloeistofvolume zou kunnen definiëren, die 5 tot 10 nanometer breed is, " zegt Li. Het team is nu van plan om het gedrag van verschillende vloeistoffen te onderzoeken, een "sandwich" van transparante vaste membranen gebruiken om een ​​vloeistof te omsluiten, zoals water, voor onderzoek in een transmissie-elektronenmicroscoop. Dit zal "meer systematische studies van vast-vloeistof interacties mogelijk maken, " zegt Li - interacties die relevant zijn voor corrosie, elektrodepositie en de werking van batterijen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.