Waar water en olie elkaar ontmoeten, er bestaat een tweedimensionale wereld. Deze interface biedt een potentieel bruikbare reeks eigenschappen voor chemici en ingenieurs, maar het blijft een uitdaging om iets complexers dan een zeepmolecuul te krijgen om daar te blijven en zich voorspelbaar te gedragen.

Een team van de Universiteit van Pennsylvania heeft nu laten zien hoe nanodeeltjes kunnen worden gemaakt die worden aangetrokken door deze interface, maar niet door elkaar. het creëren van een systeem dat fungeert als een tweedimensionale vloeistof. Door de druk en dichtheid van deze vloeistof te meten, ze hebben een weg voorwaarts getoond in het gebruik ervan voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals bij nanofabricage, katalyse en fotonische apparaten.

Door een systeem te creëren waarin deze deeltjes niet samenklonteren tot clusters of vellen, ze hebben een manier mogelijk gemaakt om de fysieke fundamenten te onderzoeken van hoe objecten op nanoschaal in twee dimensies met elkaar omgaan.

Het werk werd uitgevoerd door postdoctoraal onderzoeker Valeria Garbin, afgestudeerde student Ian Jenkins en professoren Talid Sinno, John Crocker en Kathleen Stebe, alle van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science.

Het is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Dingen lopen vast op het grensvlak tussen olie en water, "Zei Stebe. "Dat is van enorm fundamenteel en technologisch belang, omdat we die interface kunnen zien als een tweedimensionale wereld. Als we de interacties van de dingen die zich daar ophopen kunnen gaan begrijpen en leren hoe ze zijn gerangschikt, we kunnen ze gebruiken in een aantal verschillende toepassingen."

Het is lastig om nanodeeltjes naar deze interface te laten gaan en daar te blijven, echter. Hun oppervlaktechemie kan gemakkelijk worden aangepast aan water of olie, maar het balanceren van de twee om de deeltjes in dit 2-D-regime te laten blijven, is moeilijker.

"We begrijpen hoe deeltjes in 3D werken, Crocker zei. "Als je polymeerketens op het oppervlak legt die worden aangetrokken door het oplosmiddel, de deeltjes zullen van elkaar afkaatsen en een mooie suspensie vormen, wat betekent dat je ermee kunt werken. Echter, mensen hebben dat nog niet eerder in 2D gedaan."

Zelfs als deeltjes op het grensvlak kunnen blijven, ze hebben de neiging om samen te klonteren en een huid te vormen die niet uit elkaar kan worden getrokken in de samenstellende deeltjes.

"Alle deeltjes houden van zichzelf, "Zei Stebe. "Alleen door de interacties van Van der Waals, als ze dichtbij genoeg kunnen komen, ze aggregeren. Maar omdat onze nanodeeltjes beschermende ligandarmen hebben, ze klonteren niet samen en vormen een vloeibare toestand. Ze zijn in tweedimensionaal evenwicht."

De techniek van het team om dit probleem op te lossen, hing af van het verfraaien van hun gouden nanodeeltjes met oppervlakteactieve stof, of zeepachtig, liganden. Deze liganden hebben een waterminnende kop en een olieminnende staart, en door de manier waarop ze aan het centrale deeltje zijn vastgemaakt, kunnen ze zichzelf verdraaien, zodat beide kanten blij zijn als het deeltje zich op een grensvlak bevindt. Deze opstelling produceert een "vliegende schotel"-vorm, waarbij de liganden zich meer uitstrekken bij het grensvlak dan erboven of eronder. Deze ligandbumpers zorgen ervoor dat de deeltjes niet samenklonteren.

"Dit is een heel mooi systeem, "Zei Stebe. "Het vermogen om hun pakking af te stemmen betekent dat we nu alles wat we weten over de evenwichtsthermodynamica in twee dimensies kunnen nemen en vragen kunnen stellen over deeltjeslagen. Gedragen deze deeltjes zich zoals we denken dat ze zouden moeten? Hoe kunnen we ze in de toekomst manipuleren?"

Om de basis van dit systeem te begrijpen, de onderzoekers moesten de relaties van bepaalde eigenschappen afleiden, zoals hoe de druk van hun 2-D vloeistof verandert als functie van de pakking van de deeltjes. Ze gebruikten een variatie op de methode van hangende druppel, waarin zich een oliedruppel vormde in een suspensie van deeltjes in water. Overuren, deeltjes gehecht aan het olie-water grensvlak, het produceren van de 2D-vloeistof in een vorm waarin ze die eigenschappen konden meten.

"We kunnen de druk van deze 2-D vloeistof afleiden uit de vorm van de druppel, "Zei Stebe. "Zodra we de druppel samenpersen door wat van de olie terug in de spuit te trekken, we kunnen bepalen hoe de vorm verandert en dit relateren aan de druk in de laag."

De onderzoekers moesten ook bepalen hoe dicht de deeltjes waren gepakt. Om dit te doen, ze wilden profiteren van het feit dat de druppel ondoorzichtiger werd naarmate de dichtheid van het deeltje toenam wanneer de druppel werd samengedrukt. Echter, het was niet mogelijk om eenvoudig de hoeveelheid licht te meten die door de druppel scheen, omdat plasmonisch gedrag betekende dat de eigenschappen van de gouden nanodeeltjes veranderden naarmate ze dichter bij elkaar kwamen.

"Gelukkig, ontdekten we nog een interessant kenmerk van dit nanodeeltjessysteem, "Zei Garbin. "Als de druppel te veel werd samengedrukt, sommige deeltjes zouden uit de interface vallen omdat ze niet meer pasten. Hierdoor konden we de hoeveelheid deeltjes meten die in die vallende pluim zat, omdat de deeltjes daar verder van elkaar verwijderd zijn. Van die meting we zouden terug kunnen werken naar het aantal deeltjes op de interface"

De soepele relatie tussen de pakking van de deeltjes en de druk van de 2D-vloeistof die ze vormen, vormt de basis voor universele regels die de fysica van dergelijke systemen beheersen.

"Van deze gegevens ’ zei Crocker, "We kunnen de kracht versus afstand van twee nanodeeltjes berekenen. Dat betekent dat we nu een model kunnen maken van hoe deze deeltjes zich gedragen in de 2D-vloeistof."

Met deze regels kunnen onderzoekers functionele nanodeeltjes met verschillende eigenschappen ontwikkelen, zoals langere en complexere liganden die een chemische taak uitvoeren.

"Een toepassing is interface-katalyse, ' zei Stebe. 'Bijvoorbeeld als je een reagens hebt dat zich in de oliefase bevindt, maar het product bevindt zich in de waterfase, een deeltje op de interface hebben dat kan helpen het van de ene naar de andere te verplaatsen, zou perfect zijn."

Een beter begrip van wanneer en waarom deeltjes vast komen te zitten in vloeistof-vloeistof-interfaces zou ook toekomstig werk kunnen ondersteunen.