Ridurre l'indagine degli oggetti alla scala nanometrica spesso rivela nuove proprietà della materia che non hanno equivalenti per la loro analisi di massa. Questo fenomeno sta motivando molti studi attuali sui nanomateriali che possono rivelare nuovi affascinanti fenomeni.

Ha ispirato un gruppo di ricercatori del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) a esplorare la portata delle nostre conoscenze sulle proprietà fondamentali dei fluidi, che richiede una riconsiderazione con l'uso crescente di fluidi nelle dimensioni decrescenti di nuovi dispositivi, dove il loro flusso è confinato in capillari sempre più piccoli.

Come riporta il gruppo in Il Giornale di Fisica Chimica scoprirono un peculiare stato di miscibilità, o miscelabile, fluidi contenuti nei nanocanali.

Questo stato peculiare "corrisponde a un ben ordinato, disposizione concentrica di due regioni liquide coesistenti di diversa composizione, " ha detto Denis Morineau, direttore della ricerca al CNRS, a Rennes. "Una regione forma un guscio che circonda un secondo nucleo liquido, entrambi i quali hanno uno spessore radiale da una a quattro dimensioni molecolari.

"[Il fenomeno] è noto come 'separazione in microfase' perché non implica che i costituenti delle due regioni liquide si separeranno effettivamente in fase, " ha detto. "In realtà formano una fase liquida omogenea unica in condizioni normali. Infatti, questa tendenza nascosta dei fluidi binari a formare strutture ordinate supramolecolari spontanee si rivela solo su scala microscopica".

Nella scuola primaria, molti alunni sperimentano goccioline di inchiostro provenienti da, dire, una stilografica per osservarne la dispersione in un bicchiere d'acqua. Infine, la gocciolina si disperde completamente e la combinazione miscibile porta alla formazione di un composto omogeneo, soluzione azzurra.

"Questo mostra che due liquidi sono completamente miscibili e la loro miscela binaria forma un'unica fase liquida all'equilibrio termodinamico, — disse Morineau. — Ora, combinando diverse coppie di solventi semplici, abbiamo dimostrato che questa proprietà intrinseca dei liquidi binari completamente miscibili viene invalidata quando la dimensione del contenitore viene ridotta".

Effettivamente, hanno misurato direttamente quanto piccolo è troppo piccolo perché un campione di due liquidi miscibili possa essere considerato una soluzione combinata.

Questo fenomeno è stato osservato per la prima volta durante un esperimento di diffusione di neutroni eseguito presso la French Neutron National Source Orphée nel Laboratorio Léon Brillouin (LLB). Lo studio è stato ulteriormente sviluppato presso LLB in collaborazione con l'European Large Scale Facility (Institute Laue-Langevin).

"I neutroni sparsi rivelano dove si trovano gli atomi nel campione con una risoluzione spaziale che raggiunge la scala nanometrica, " ha detto Morineau. "Il metodo unico è sensibile alla natura isotopica dell'atomo. A differenza dei raggi X, forniscono una chiara distinzione tra idrogeno e (l'isotopo dell'idrogeno) deuterio."

Il gruppo ha applicato questo metodo per studiare la struttura di solventi semplici come idrocarburi e alcoli, impregnato di materiale sintetico, solidi porosi in vetro di silice. Il vetro presentava una disposizione a nido d'ape parallela, canali cilindrici larghi otto nanometri. Il materiale poroso è servito come una raccolta di provette di dimensioni nanometriche.

Il gruppo di Morineau mescolava molecole dello stesso liquido, ma differendo nel numero totale di neutroni dallo scambio di atomi di idrogeno con il suo isotopo più pesante, deuterio. Con le giuste proporzioni, la miscela può essere sintonizzata per disperdere i neutroni che corrispondono alla dispersione dai tubi di vetro, rendendo i due indistinguibili.

"Abbiamo usato per la prima volta questo trucco per preparare e confinare liquidi che hanno la stessa interazione con i neutroni dei nanocapillari di vetro di silice. In questa condizione di corrispondenza del contrasto, il neutrone è cieco al liquido e l'intensità diffusa misurata è annullata, " Disse Morineau. "[Con l'inchiostro ciò corrisponderebbe] alla situazione in cui sia la soluzione inchiostrata che il contenitore di vetro hanno esattamente lo stesso colore, rendendoli indistinguibili".

Il gruppo ha avuto un'osservazione sorprendente per alcuni liquidi binari fidati, dove si aspettavano un comportamento di corrispondenza dei neutroni, ma il segnale era più alto che mai.

"Questa è stata la prima prova diretta che il paradigma della composizione omogenea in una miscela completamente miscibile deve rompersi all'interno dei nanocanali, " disse Morineau.

Per la reale applicabilità, il gruppo ha esteso una serie di esperimenti attentamente progettati per stabilire metodi di etichettatura dei componenti dei liquidi binari.

"In combinazione con lo sviluppo di un modello computazionale, mostra un eccellente accordo con i nostri esperimenti attuali, " ha detto Morineau. "Abbiamo fornito un metodo pratico per valutare le strutture originali dei fluidi assorbiti in ambienti su scala nanometrica".

La manipolazione di liquidi in pori nanostrutturati è un'attività comune a molti processi di chimica e scienza dei materiali, ma svolge anche un ruolo significativo negli ambienti biologici in cui i ricercatori si aspettano che il loro lavoro abbia un'ampia applicabilità.

"Il nostro studio suggerisce che la separazione microfase, come un nuovo tipo di nanostruttura, risulta dagli effetti concomitanti di specifiche interazioni di superficie e confinamento spaziale, " ha detto Morineau. "Quindi siamo entusiasti dell'opportunità che la modulazione di entrambi gli elementi offre per promuovere un nuovo controllo sull'assemblaggio supermolecolare di miscele complesse".

Hanno in programma di indagare ulteriormente sulle dinamiche, proprietà fuori equilibrio e flusso di fluido all'interno di tali sistemi. "Questi sono fondamentalmente di interesse, nonché per lo sviluppo di dispositivi nanofluidici, ", ha detto. "Ora stiamo collaborando con due gruppi di ricerca di Amburgo per esplorare queste diverse prospettive".