Le strutture liquide (goccioline liquide che mantengono una forma specifica) sono utili per una varietà di applicazioni, dalla trasformazione alimentare alla cosmesi, medicinale, e anche l'estrazione del petrolio, ma i ricercatori devono ancora sfruttare appieno il potenziale di questi nuovi ed entusiasmanti materiali perché non si sa molto su come si formano.

Ora, un team di ricerca guidato da Berkeley Lab ha catturato video in tempo reale ad alta risoluzione di strutture liquide che prendono forma come tensioattivi di nanoparticelle (NPS) - particelle simili a sapone di appena miliardesimi di metro di dimensione - si incastrano strettamente insieme, fianco a fianco, per formare uno strato solido all'interfaccia tra olio e acqua.

Le loro scoperte, recentemente apparso sulla copertina di Progressi scientifici , potrebbe aiutare i ricercatori a ottimizzare meglio le strutture liquide per far progredire nuove applicazioni biomediche come la microfluidica riconfigurabile per la scoperta di farmaci e la robotica completamente liquida per la somministrazione mirata di farmaci antitumorali, tra gli altri.

Negli esperimenti condotti dal coautore Paul Ashby, uno scienziato del personale della divisione Molecular Foundry and Materials Sciences del Berkeley Lab, e Yu Chai, un ex ricercatore post-dottorato nel gruppo Ashby che ora è assistente professore presso la City University di Hong Kong, i ricercatori hanno utilizzato una speciale tecnica di imaging chiamata microscopia a forza atomica (AFM) per riprendere i primi filmati in tempo reale degli NPS che si affollano e si incastrano nell'interfaccia olio-acqua, un passaggio critico nel bloccare un liquido in una forma specifica.

I filmati dei ricercatori hanno svelato un ritratto dell'interfaccia NPS con dettagli senza precedenti, compresa la dimensione di ogni NPS, se l'interfaccia era composta da uno o più livelli, e quanto tempo è passato, fino al secondo, per ogni NPS da collegare e sistemare nell'interfaccia.

Le spettacolari immagini AFM hanno anche mostrato l'angolo con cui un NPS "si siede" all'interfaccia, un risultato inaspettato. "Siamo rimasti sorpresi da quanto siano ruvide le interfacce, " ha detto Ashby. "Abbiamo sempre disegnato illustrazioni di un'interfaccia uniforme con nanoparticelle attaccate allo stesso angolo di contatto, ma nel nostro studio attuale, abbiamo scoperto che in realtà c'è molta variazione."

La maggior parte degli strumenti di imaging su nanoscala può indagare solo su campioni immobili che sono secchi o congelati. Negli ultimi due decenni, Ashby ha concentrato la sua ricerca sullo sviluppo di capacità AFM uniche che consentono all'utente di controllare la punta della sonda in modo che interagisca delicatamente con campioni in rapido movimento, come le NPS del presente studio, senza toccare il liquido sottostante, un'impresa impegnativa.

"Imaging di una struttura liquida su scala nanometrica, e guardare le nanoparticelle muoversi nel liquido in tempo reale usando una sonda AFM, cosa che non sarebbe possibile senza la vasta esperienza di Paul, " ha detto il co-autore Thomas Russell , uno scienziato della facoltà in visita e professore di scienza e ingegneria dei polimeri dell'Università del Massachusetts che guida il programma Adaptive Interface Assemblies Towards Structuring Liquids nella divisione di scienze dei materiali di Berkeley Lab. "Questo tipo di capacità non è disponibile da nessun'altra parte tranne che alla Molecular Foundry".

I ricercatori hanno in programma di studiare l'effetto delle particelle semoventi nelle strutture liquide NPS.