EU-onderzoekers hebben aangetoond hoe kleine nanotech-deeltjes die in een vloeistof zijn gesuspendeerd, zich naar grootte afscheiden als de vloeistof verdampt, een effect dat kan leiden tot technieken voor het maken van gelaagde structuren die de prestaties van veel alledaagse producten verbeteren, zoals zonnebrandcrème en elektronica.

Het door de EU gefinancierde BARRIER PLUS-project heeft resultaten gepubliceerd van experimenten waarbij ze met succes hebben kunnen aantonen dat zowel theoretisch als experimenteel, die verf bestaande uit twee deeltjes van twee verschillende groottes, als ze groot genoeg zijn, scheiden tijdens het drogen.

Het resultaat is dat de kleinere deeltjes, die op nanotech-schaal op slechts een duizendste van een mensenhaar zijn, vormen een laag bovenop de grotere, een geheel nieuwe techniek. Door colloïden te produceren die opdrogen tot een tweelaagse structuur, het effect kan de creatie van cosmetica en elektronische apparaten met nieuwe eigenschappen mogelijk maken.

Terwijl de vloeistof in een drogend colloïde verdampt, deeltjes onder de service worden dichter naar elkaar toe gedrukt, omdat de Brownse beweging ertoe leidt dat de deeltjes willekeurig tegen elkaar schuiven. Voor kleinere deeltjes, Brownse beweging is sneller, zodat ze zich gemakkelijker kunnen herverdelen naarmate het colloïdvolume afneemt. Grotere deeltjes kunnen niet zo snel weg bewegen en hopen zich dus op aan het oppervlak-luchtinterface.

Onderzoekers die colloïden hebben bestudeerd die deeltjes van verschillende groottes bevatten, hebben ontdekt dat voor bepaalde verdampingssnelheden, grotere deeltjes concentreerden zich aan de bovenkant van de droogfilm, terwijl kleinere deeltjes gelijkmatiger waren verdeeld. Er werd algemeen aangenomen dat hetzelfde gold voor alle verdampingssnelheden.

Onverwachte en onvoorspelbare stratificatie

Echter, BARRIER PLUS-onderzoekers aan de Universiteit van Surrey, VK, ontdekte precies het tegenovergestelde, toen ze een suspensie met deeltjes van twee grootten nader onderzochten. De gelaagdheid die ze vonden was niet verwacht of voorspeld, en als zodanig enkele maanden besteed aan het verifiëren van hun resultaten, het uitvoeren van zowel gedetailleerde computersimulaties als laboratoriumexperimenten op colloïden op waterbasis die bolvormige deeltjes van twee groottes bevatten.

Het team modelleerde suspensies met grote en kleine deeltjes met verschillende grootteverhoudingen en met verschillende populatieverhoudingen. Toen het water verdampte, de kleinere bollen gingen omhoog, terwijl de grotere ten onder gingen. Het effect trad op voor deeltjesgrootteverhoudingen van 2:1 tot 14:1, maar alleen als het aantal kleine deeltjes een factor 200 of meer groter was dan het aantal grote.

Vervolgens hebben ze het effect geverifieerd door acryldeeltjes te gebruiken met een diameter van 385 en 55 nanometer gesuspendeerd in water, het labelen van de grotere bollen met een rode fluorescerende kleurstof. Nadat de colloïden waren opgedroogd, ontdekten de onderzoekers opnieuw dat de deling van deeltjes weer had plaatsgevonden, maar alleen op voorwaarde dat de numerieke verhouding van kleine en grote deeltjes groter was dan 200.

Kansen voor innovatie

Na de BARRIER PLUS-experimenten, dit proces van deeltjesstratificatie zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe en innovatieve producten in een groot aantal industrieën. Een voorbeeld is zonnebrandcrème, waar zonlichtblokkerende deeltjes naar boven kunnen worden ontworpen wanneer ze worden aangebracht, waardoor de deeltjes achterblijven die aan de huid eronder plakken. Ook voor de elektronica-industrie zijn er mogelijkheden, als een coating voor een mobiele telefoon zou kunnen worden ontwikkeld met dubbele eigenschappen, zoals krasvastheid aan de bovenzijde en het vermogen om aan glas te hechten aan de onderzijde.