Uno schema di sospensioni nanocolloidali morbide comprendenti nanoparticelle di silice legate con glicole polietilenico morbido (PEG) sospese in oligomeri di PEG. Le immagini mostrano la variazione delle caratteristiche fisiche con l'aumento del carico di particelle e la micrografia elettronica mostra le particelle ben disperse in queste sospensioni.
(Phys.org) —Le proprietà insolite dell'acqua, compresa la sua dilatazione termica anomala e l'anomalia di densità, hanno incuriosito i ricercatori per decenni. Queste proprietà sono notoriamente difficili da indagare sperimentalmente a causa delle scale di lunghezza intrinsecamente piccole e delle complesse interazioni che sembrano governare la fisica di questi materiali. Studi di piccole particelle (colloidi) disperse in solventi, note come sospensioni colloidali, utilizzati come modelli per liquidi atomici e molecolari hanno dimostrato che alcune di queste anomalie possono essere ingegnerizzate in sospensioni colloidali di particelle morbide.
Un rapporto pubblicato su Lettere di revisione fisica descrive la ricerca condotta presso l'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory che chiarisce le disposizioni e la mobilità delle nanoparticelle morbide in sospensioni dense che rispecchiano le anomalie osservate in liquidi complessi come l'acqua. Questa scoperta, che è il primo caso di osservazione sperimentale di tale comportamento in una sospensione colloidale, consente un ampliamento della cassetta degli attrezzi del fisico sperimentale interessato all'impiego di sospensioni per imitare i liquidi molecolari, con l'ulteriore vantaggio di tempistiche e tempistiche facilmente accessibili.
Il gruppo di ricerca, con membri della Cornell University e Argonne, sintetizzato nanoparticelle morbide legando densamente piccoli polimeri sulla superficie delle nanoparticelle di silice. Le misurazioni di scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS) e di spettroscopia di correlazione di fotoni a raggi X (XPCS) sono state eseguite presso le linee di luce della divisione di scienze dei raggi X 12-ID-B e 8-ID-I presso l'APS per rivelare la struttura di equilibrio e le caratteristiche del moto delle particelle, rispettivamente.
È stato scoperto che le disposizioni delle particelle diventano più disordinate e si muovono più velocemente quando vengono aggiunte più particelle nella sospensione oltre una frazione di volume di particelle critica, in coincidenza con un forte aumento della resistenza del sistema di nanoparticelle innestate alle deformazioni fisiche.
Ciò è in contrasto con la solita situazione in cui aumentando la concentrazione di particelle in una sospensione diluita diminuisce lo spazio disponibile per posizionare nuove particelle, aumentando così l'ordinamento delle particelle e rallentandole.
Evoluzione del fattore di struttura (S(q)) e dei tempi di rilassamento (τ) con carico particellare (ϕ) per sospensioni di nanoparticelle morbide. La comparsa di massimi nell'altezza del primo picco di S(q) indica chiaramente l'anomalia strutturale, mentre i massimi nei tempi di rilassamento indicano l'anomalia di trasporto nelle sospensioni morbide nanocolloidali. Questi risultati sono stati ottenuti dalle misurazioni SAXS e XPCS, rispettivamente.
"Diventa più facile per qualsiasi particella in queste sospensioni diffondersi quando sono più circondate dai loro vicini; la natura controintuitiva di questa situazione può essere illustrata con la seguente analogia:è più facile fare una corsa e segnare un touch down quando l'avversario squadra ha quindici persone in difesa, " disse Samanvaya Srivastava, uno studente laureato presso la Cornell University e autore principale dell'articolo Physical Review Letters.
Il comportamento anomalo delle particelle sospese nell'acqua e in altri liquidi complessi è stato a lungo sostenuto per i sistemi con repulsione dolce, che è caratterizzato da un'energia potenziale che mostra un'ampiezza finita su cui si verifica l'interazione delle particelle. Questi risultati empirici forniscono supporto a un consenso emergente dagli studi di simulazione e forniscono un sistema modello per studiare i sistemi con interazioni repulsive morbide.
