(Phys.org) —De ongewone eigenschappen van water, inclusief de abnormale thermische uitzetting en dichtheidsafwijking, fascineren onderzoekers al tientallen jaren. Deze eigenschappen zijn notoir moeilijk experimenteel te onderzoeken vanwege de inherent kleine lengteschalen en complexe interacties die de fysica van deze materialen lijken te beheersen. Studies van kleine deeltjes (colloïden) gedispergeerd in oplosmiddelen, bekend als colloïdale suspensies, gebruikt als modellen voor atomaire en moleculaire vloeistoffen hebben aangetoond dat sommige van deze anomalieën kunnen worden geconstrueerd in colloïdale suspensies van zachte deeltjes.

Een rapport gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven beschrijft onderzoek dat is uitgevoerd bij de Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Argonne National Laboratory dat de rangschikking en mobiliteit van zachte nanodeeltjes in dichte suspensies verheldert die de afwijkingen weerspiegelen die worden waargenomen in complexe vloeistoffen zoals water. Deze ontdekking, wat het eerste geval is van experimentele observatie van dergelijk gedrag in een colloïdale suspensie, maakt een uitbreiding mogelijk van de gereedschapskist van de experimentele fysicus die geïnteresseerd is in het gebruik van suspensies om moleculaire vloeistoffen na te bootsen, met het extra voordeel van gemakkelijk toegankelijke lengte- en tijdschalen.

Het onderzoeksteam, met leden van Cornell University en Argonne, zachte nanodeeltjes gesynthetiseerd door kleine polymeren dicht op het oppervlak van silica nanodeeltjes te binden. Kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS) en röntgenfotoncorrelatiespectroscopie (XPCS) metingen werden uitgevoerd bij X-ray Science Division bundellijnen 12-ID-B en 8-ID-I bij de APS om de evenwichtsstructuur te onthullen en de kenmerken van deeltjesbeweging, respectievelijk.

Er werd vastgesteld dat de deeltjesrangschikkingen meer wanordelijk worden en sneller bewegen wanneer meer deeltjes aan de suspensie worden toegevoegd dan een kritische deeltjesvolumefractie, samenvallend met een sterke toename van de weerstand door het systeem van geënte nanodeeltjes tegen fysieke vervormingen.

Dit in tegenstelling tot de gebruikelijke situatie waar het verhogen van de concentratie van deeltjes in een verdunde suspensie de beschikbare ruimte voor het plaatsen van nieuwe deeltjes vermindert, waardoor de deeltjesordening toeneemt en ze vertragen.

"Het wordt gemakkelijker voor elk deeltje in deze suspensies om zich te verspreiden wanneer ze meer omringd zijn door hun buren; de contra-intuïtieve aard van deze situatie kan worden geïllustreerd met de volgende analogie:het is gemakkelijker om een ​​run te maken en een touch-down te scoren wanneer de tegenstander team heeft vijftien mensen in de verdediging, " zei Samanvaya Srivastava, een senior afgestudeerde student aan de Cornell University en hoofdauteur van het artikel Physical Review Letters.

Het afwijkende gedrag van deeltjes die in water en andere complexe vloeistoffen zijn gesuspendeerd, bestaat al lang voor systemen met zachte afstoting, die wordt gekenmerkt door een potentiële energie die een eindige breedte vertoont waarover deeltjesinteractie plaatsvindt. Deze empirische bevindingen ondersteunen een opkomende consensus uit simulatiestudies en bieden een modelsysteem voor het bestuderen van systemen met zachte afstotende interacties.