De online cover van wetenschappelijke vooruitgang deze week bevat de assemblage van oppervlakteactieve nanodeeltjes op een vast-vloeibaar grensvlak met behulp van geavanceerde microscopietechnieken zoals confocale laserscanningmicroscopie en atoomkrachtmicroscopie. Materiaalwetenschappers hadden decennialang de assemblage van vaste stoffen op een vloeibaar grensvlak onderzocht om de zuivering van erts (een complexe en stabiele chemische verbinding) te begrijpen, emulsie- en inkapselingsprocessen. In een nieuw rapport Yu Chai en een onderzoeksteam van het Lawrence Berkeley National Laboratory, Universiteit van California, Berkeley, de Hong Kong Polytechnic University en de Tohoku University, in de VS, China en Japan, toonde aan hoe elektrostatische interacties tussen nanodeeltjes en liganden nanodeeltjes oppervlakteactieve stoffen op water-olie-interfaces vormden. De resulterende 'vastgelopen' structuren produceerden een solide-achtige laag. Toen de oppervlaktedichtheid van de oppervlakteactieve stoffen van nanodeeltjes toenam aan het grensvlak, verdere hechting vereiste coöperatieve verplaatsing van eerder geassembleerde oppervlakteactieve nanodeeltjes. De hoge ruimte-tijdresolutie van hun waarnemingen onthulde het complexe mechanisme van aanhechting en de aard van de assemblage van nanodeeltjes.

Vaste stoffen observeren op vloeistofinterfaces

In dit werk, Chai et al. gebruikte atomaire krachtmicroscopie (AFM) in combinatie met laser scanning confocale microscopie (LSCM) om opmerkelijke details van vaste stoffen op vloeistofinterfaces te verkrijgen om inzicht te krijgen in de verschijnselen van het blokkeren van nanodeeltjes. Materiaalonderzoekers in toegepaste techniek zijn geïnteresseerd in de assemblage van vaste stoffen op vloeibare grensvlakken voor toepassingen zoals ertszuivering, emulsie en inkapseling op basis van grensvlakscheiding. Als de deeltjesgrootte kleiner wordt, de bindingsenergie van het deeltje aan het grensvlak kan afnemen, resulterend in de adsorptie en desorptie van nanodeeltjes. Als nanodeeltjes die oplosbaar zijn in één vloeistof een interactie aangaan met eindgefunctionaliseerde liganden in een tweede niet-mengbare vloeistof, onderzoekers kunnen de bindingsenergie van nanodeeltjes aan het grensvlak verhogen om oppervlakteactieve nanodeeltjes te vormen. De zeer hoge bindingsenergie van adsorptie kan het systeem naar een niet-evenwichtstoestand drijven.

Regelen van de grensvlakspanning

Het team karakteriseerde de interface tussen twee niet-mengbare vloeistoffen door de grensvlakspanning (γ) te berekenen. Wanneer negatief geladen nanodeeltjes in de waterige fase werden gedispergeerd, de grensvlakspanning werd niet beïnvloed omdat de nanodeeltjes zich niet op het grensvlak verzamelden vanwege de inherent negatieve lading aan het water-olie-interface. Echter, polymere oppervlakteactieve stoffen zoals amine-getermineerd polydimethylsiloxaan (PMDS-NH ₂ ), opgelost in siliconenolie en geassembleerd tot een monolaag op het grensvlak om de grensvlakspanning te verminderen. De grootte van de verminderde grensvlakspanning was afhankelijk van de concentratie van PDMS-NH ₂ en molecuulgewicht van de PDMS-keten.

Het team merkte een hechtingsproces op, waar carbonzuur-gefunctionaliseerde nanodeeltjes diffundeerden naar het grensvlak en interageerden met kationische polymere oppervlakteactieve stoffen (PDMS-NH ₃ ⁺ ) om oppervlakteactieve nanodeeltjes te vormen. Door de nanodeeltjes te labelen met fluorescerende markers, Chai et al. onderzocht het adsorptieproces onder lage resolutie met behulp van laser scanning confocale microscopie. De adsorptiekinetiek voldeed aan de wet van Fick; d.w.z., gaande van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie, evenredig met de concentratiegradiënt, met opmerkelijke Fickiaanse diffusiecontrole van bijlage. De resultaten, daarom, ondersteunde diffusie-gecontroleerde adsorptie aan de interface, waar de energiebarrière voor hechting lager was dan de thermische energie van het systeem. De nanodeeltjes bleven vervolgens op de interface na contact met de interface.

Atomaire krachtmicroscopie gebruiken om nanodeeltjes te onderscheiden

Toen er meer nanodeeltjes werden geassembleerd op het water-olie-interface, de laser scanning confocale microscopietechniek kon ze niet effectief afzonderlijk onderscheiden, omdat de minimale scheidingsafstand de resolutie van het instrument overschreed. Het team gebruikte daarom atomaire krachtmicroscopie, om de aanhechting van nanodeeltjes op het water-olie-interface in ruimte-tijd direct te visualiseren. Ze bepaalden vervolgens de diameters en positie van nanodeeltjes ten opzichte van het grensvlak en toonden de bindingsenergie van nanodeeltjes aan het grensvlak als een functie van deeltjesgrootte en oppervlaktespanning, op het olie-water grensvlak. Gebaseerd op het gedrag van nanodeeltjes op de water-olie-interface, Chai et al merkten op hoe de toenemende ladingsdichtheid de hechting van de oppervlakteactieve stof aan het nanodeeltje sterker beïnvloedde, waardoor de oppervlakte-energie toeneemt en de deeltjes verder in de oliefase worden gedreven. De bewegingsdynamiek van nanodeeltjes vertraagde op het grensvlak vanwege de dichter opeengepakte opstelling.

Toen de lokale dichtheid van nanodeeltjes aan het grensvlak toenam, er was onvoldoende ruimte om de intrede van nieuwe nanodeeltjes op te vangen; daarom, de vergadering herschikte op zijn eigen. Chai et al. merkte deze herschikking op met behulp van atoomkrachtmicroscopie, hoewel ze de waargenomen fluctuaties niet kwantificeerden. Ze observeerden coöperatieve structurele veranderingen van geassembleerde nanodeeltjes op het grensvlak om de aanhechting van extra deeltjes mogelijk te maken. interessant, verschillende nanodeeltjes waren niet detecteerbaar, mogelijk gevangen onder grotere nanodeeltjes die aan het systeem zijn toegevoegd; echter, het team kon dit fenomeen niet waarnemen met alleen atoomkrachtmicroscopie. Chai et al. daarom re-integreerde laser scanning confocale microscopie (LSCM) in de opstelling om inzicht te geven in de toevoeging van overtollige nanodeeltjes aan de toch al dichte assemblages.

De wetenschappers namen verder LSCM-experimenten (laser scanning confocal microscopy) op om de gemengde dispersie van nanodeeltjes van verschillende grootte te onderzoeken om hun dynamische co-assemblage te onderzoeken. Terwijl grote en kleine deeltjes samenkomen op het grensvlak, alleen de grote nanodeeltjes konden duidelijk worden opgelost. interessant, het team merkte veel donkere gebieden op in de vorm van scheuren, waarschijnlijk door het contact tussen water- en oliefasen in de opstelling. De scheurvorming legde nieuwe grensvlakken bloot, die uiteindelijk zichzelf herstelde als een belangrijk handelsmerk van gestructureerde vloeistoffen om hun integriteit in het algemeen te behouden.

Op deze manier, Yu Chai en collega's onderzochten de assemblage van nanodeeltjes aan het water-olie-grensvlak en onderzochten de factoren die het proces van adsorptie beheersen. Door uitwisselbaar gebruik te maken van AFM (atomic force microscopy) en LSCM (laser scanning confocal microscopy), ze merkten structurele veranderingen op die zich voordeden in het vroege stadium van de hechting van nanodeeltjes aan de interface, inclusief diffusiegestuurde processen. Het hechtingsproces was reactiegecontroleerd, waarbij de bestaande assemblage een elektrostatische barrière vormde voor extra nanodeeltjes die de interface naderen; waardoor hun herschikking wordt gecoördineerd om de aanhechting van nieuwe nanodeeltjes mogelijk te maken. Met behulp van geavanceerde microscopietechnieken, het team heeft het bevestigingsproces onder verschillende omstandigheden met hoge resolutie gedetailleerd om inzicht te geven in adsorptie en vastlopen om het ontwerp en de fabricage van responsieve assemblages te helpen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk