Een team onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy heeft een manier gevonden om een ​​vloeistofachtige toestand meer als een vaste stof te laten gedragen, om vervolgens het proces om te keren.

Ze zetten een druppel van een vloeistof die ijzeroxide nanokristallen bevat in een olieachtige vloeistof die kleine polymeerstrengen bevat.

Ze ontdekten dat een chemisch additief in de druppel kan concurreren met het polymeer - als een klein touwtje trekken - op nanodeeltjes op de kruising van de vloeistoffen.

Ze waren in staat om de hier verzamelde nanodeeltjes te laten vastlopen, waardoor het zich gedraagt ​​als een solide, en vervolgens los te maken en terug te keren naar een vloeistofachtige toestand door de competitieve push-pull-actie van het polymeer en het additief.

"Het vermogen om tussen deze vastgelopen en niet-vastgelopen toestanden te bewegen, heeft gevolgen voor de ontwikkeling van volledig vloeibare elektronica, en voor interactie met cellen en het regelen van cellulaire functies, " zei Tom Russell van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die samen met Brett Helms de studie leidde, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab. The Molecular Foundry is een DOE Office of Science User Facility die gespecialiseerd is in nanowetenschappelijk onderzoek.

"We konden deze druppeltjes in realtime deze fasetransformaties zien ondergaan, "Zei Helms. "Zien is geloven. We kijken naar de mechanische eigenschappen van een 2D-vloeistof en een 2D-vaste stof. "De resultaten werden op 3 augustus online gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang .

Ze keken naar deze beweging tussen de twee staten door simpelweg te kijken naar veranderingen in de vorm van de druppel. De veranderingen geven informatie over de spanning op het oppervlak van de druppel, zoals het observeren van het oppervlak van een opblazende of leeglopende ballon.

Ze gebruikten een atoomkrachtmicroscoop, die werkt als een minuscule platenspelernaald om over het oppervlak van de druppel te bewegen om de mechanische eigenschappen te meten.

De nieuwste studie bouwt voort op eerder onderzoek van Russell en Helms, bezoekende onderzoekers, en anderen in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en bij de Molecular Foundry om complexe, volledig vloeibare 3D-structuren door waterdraden in siliconenolie te injecteren.

Terwijl het veranderen van vloeibare toestanden naar vaste toestanden doorgaans gepaard gaat met temperatuurveranderingen, in deze laatste studie introduceerden onderzoekers in plaats daarvan een chemische verbinding die bekend staat als een ligand die zich op een precieze manier aan het oppervlak van de nanodeeltjes bindt.

"We hebben niet alleen aangetoond dat we deze 2D-materialen kunnen nemen en deze overgang van een vaste stof naar een vloeistof kunnen ondergaan, maar ook de snelheid waarmee dit gebeurt kunnen regelen door het gebruik van een ligand in een gedefinieerde concentratie, ' zei Helmes.

Bij hogere concentraties ligand, de assemblage van nanokristallen ontspande zich sneller van een vastgelopen toestand naar een niet-vastgelopen toestand.

Onderzoekers ontdekten ook dat ze de eigenschappen van de vloeistofdruppels in de olie-oplossing konden manipuleren door een magnetisch veld aan te leggen - het veld kan de druppel vervormen door de ijzerhoudende nanokristallen aan te trekken, bijvoorbeeld, en verander de spanning aan het oppervlak van de druppels.

Het vinden van nieuwe manieren om dergelijke volledig vloeibare systemen te besturen, kan nuttig zijn voor interactie met levende systemen, Helms zei, zoals cellen of bacteriën.

"In wezen zou je de mogelijkheid kunnen hebben om met ze te communiceren - ze te verplaatsen waar je wilt dat ze gaan, of elektronen of ionen naar hen verplaatsen, "Zei Russell. "Hier toegang toe hebben door eenvoudige invoer is de waarde hiervan."

De studie is ook waardevol voor het aantonen van fundamentele chemische en mechanische eigenschappen van de nanokristallen zelf.

Helms merkte op dat de eenvoud van de nieuwste studie anderen zou moeten helpen om van het onderzoek te leren en erop voort te bouwen. "We hebben hier niets ingewikkelds gebruikt. Ons doel is om te laten zien dat iedereen dit kan. Het geeft slim inzicht in nanochemie op grensvlakken. Het laat ons ook zien dat chemische systemen kunnen worden ontworpen met op maat gemaakte structuren en eigenschappen in het tijdsdomein als als in het ruimtelijk domein."

Toekomstig onderzoek zou zich kunnen richten op het miniaturiseren van de vloeibare structuren voor biologische toepassingen of voor energietoepassingen in 2D-materialen, merkte Russell op.

"De schoonheid in dit werk is de manipulatie van nanoschaalelementen, slechts miljardsten van een inch groot, in grotere constructies die reageren en zich aanpassen aan hun omgeving of aan specifieke triggers, " hij zei.