Dove l'acqua e l'olio si incontrano, esiste un mondo bidimensionale. Questa interfaccia presenta un insieme di proprietà potenzialmente utili per chimici e ingegneri, ma ottenere qualcosa di più complesso di una molecola di sapone per rimanere lì e comportarsi in modo prevedibile rimane una sfida.

Un team dell'Università della Pennsylvania ha ora mostrato come creare nanoparticelle che sono attratte da questa interfaccia ma non l'una dall'altra, creando un sistema che funge da liquido bidimensionale. Misurando la pressione e la densità di questo liquido, hanno mostrato una via d'uscita nell'usarlo per una varietà di applicazioni, come nella nanoproduzione, catalisi e dispositivi fotonici.

Creando un sistema in cui queste particelle non si aggregano in grappoli o bucce, hanno consentito di indagare sui fondamenti fisici del modo in cui gli oggetti su scala nanometrica interagiscono tra loro in due dimensioni.

Il lavoro è stato condotto dalla ricercatrice post-dottorato Valeria Garbin, studente laureato Ian Jenkins e professori Talid Sinno, John Crocker e Kathleen Stebe, tutto il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Penn's School of Engineering and Applied Science.

È stato pubblicato in Lettere di revisione fisica .

"Le cose si bloccano all'interfaccia tra olio e acqua, " ha detto Stebe. "Questo è di enorme interesse fondamentale e tecnologico, perché possiamo pensare a quell'interfaccia come a un mondo bidimensionale. Se possiamo iniziare a capire le interazioni delle cose che si accumulano lì e imparare come sono disposte, possiamo sfruttarli in una serie di applicazioni diverse."

Ottenere nanoparticelle per andare e rimanere in questa interfaccia è complicato, però. La loro chimica superficiale può essere facilmente adattata all'acqua o all'olio, ma bilanciare i due per far sì che le particelle rimangano in questo regime 2-D è più difficile.

"Sappiamo come funzionano le particelle in 3-D, " disse Crocker. "Se metti catene polimeriche sulla superficie che sono attratte dal solvente, le particelle rimbalzeranno l'una sull'altra e formeranno una bella sospensione, significa che puoi lavorare con loro. Però, la gente non l'ha mai fatto prima in 2-D."

Anche quando le particelle sono in grado di rimanere all'interfaccia, tendono ad aggregarsi e formare una pelle che non può essere separata nelle sue particelle costituenti.

"Tutte le particelle amano se stesse, " ha detto Stebe. "Proprio a causa delle interazioni di Van der Waals, se riescono ad avvicinarsi abbastanza, si aggregano. Ma poiché le nostre nanoparticelle hanno bracci protettivi con leganti, non si aggregano e formano uno stato liquido. Sono in equilibrio bidimensionale."

La tecnica del team per superare questo problema dipendeva dalla decorazione delle loro nanoparticelle d'oro con tensioattivo, o simile al sapone, ligandi. Questi ligandi hanno una testa che ama l'acqua e una coda che ama l'olio, e il modo in cui sono attaccati alla particella centrale consente loro di contorcersi in modo che entrambe le parti siano felici quando la particella si trova su un'interfaccia. Questa disposizione produce una forma a "disco volante", con i ligandi che si estendono più all'interfaccia che sopra o sotto. Questi paraurti ligando impediscono alle particelle di aggregarsi.

"Questo è un sistema molto bello, " Ha detto Stebe. "La capacità di regolare il loro imballaggio significa che ora possiamo prendere tutto ciò che sappiamo sulla termodinamica dell'equilibrio in due dimensioni e iniziare a porre domande sugli strati di particelle. Queste particelle si comportano come pensiamo dovrebbero? Come possiamo manipolarli in futuro?"

Per arrivare ai fondamenti di questo sistema, i ricercatori avevano bisogno di dedurre le relazioni di alcune proprietà, come come la pressione del loro liquido 2-D cambia in funzione dell'impaccamento delle particelle. Hanno usato una variazione del metodo della goccia pendente, in cui una goccia d'olio si è formata in una sospensione di particelle in acqua. Col tempo, particelle attaccate all'interfaccia olio-acqua, producendo il liquido 2-D in una forma in cui potevano misurare quei tratti.

"Possiamo dedurre la pressione di questo fluido 2-D dalla forma della goccia, " disse Stebe. "Una volta che comprimiamo la goccia tirando un po' di olio nella siringa, possiamo determinare come cambia la forma e metterla in relazione con la pressione nello strato."

I ricercatori avevano anche bisogno di determinare quanto densamente fossero impacchettate le particelle. Fare così, volevano sfruttare il fatto che la goccia diventava più opaca man mano che la densità della particella aumentava quando la goccia veniva compressa. Però, non era possibile misurare semplicemente la quantità di luce che brillava attraverso la goccia, poiché il comportamento plasmonico significava che le proprietà delle nanoparticelle d'oro cambiavano man mano che si avvicinavano.

"Fortunatamente, abbiamo scoperto un'altra caratteristica interessante di questo sistema di nanoparticelle, " disse Garbin. "Se la goccia è stata compressa troppo, alcune particelle sarebbero cadute dall'interfaccia perché non si adattavano più. Questo ci ha permesso di misurare la quantità di particelle che erano in quel pennacchio cadente, poiché le particelle sono più distanti l'una dall'altra lì. Da quella misura, potremmo lavorare a ritroso sul numero di particelle sull'interfaccia"

Il buon rapporto tra l'impaccamento delle particelle e la pressione del liquido 2-D che formano fornisce la base delle regole universali che governano la fisica di tali sistemi.

"Da questi dati, "Crocker ha detto, "Possiamo calcolare la forza rispetto alla distanza di due nanoparticelle. Ciò significa che ora possiamo creare un modello di come si comportano queste particelle nel liquido 2-D".

Avere queste regole consentirà ai ricercatori di sviluppare nanoparticelle funzionali con tratti diversi, come ligandi più lunghi e complessi che svolgono alcuni compiti chimici.

"Un'applicazione è la catalisi dell'interfaccia, " Stebe ha detto. "Per esempio, se hai un reagente che è in fase oleosa, ma il suo prodotto è nella fase acquosa, avere una particella sull'interfaccia che può aiutare a spostarla da una all'altra sarebbe perfetto."

Una migliore comprensione di quando e perché le particelle rimangono intrappolate nelle interfacce liquido-liquido potrebbe anche essere alla base del lavoro futuro.