Un nuovo film bidimensionale, fatta di polimeri e nanoparticelle e sviluppata dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di Energia, può dirigere due diversi liquidi non miscelabili in una varietà di architetture esotiche. Questa scoperta potrebbe portare alla robotica morbida, circuito liquido, fluidi che cambiano forma, e una serie di nuovi materiali che utilizzano morbidi, piuttosto che solido, sostanze.

Lo studio, riportato oggi sul giornale Nanotecnologia della natura , presenta l'ultima entrata in una classe di sostanze note come gel emulsioni inceppate bicontinue, o bijels, che promettono come un liquido malleabile in grado di supportare reazioni catalitiche, conduttività elettrica, e conversione energetica.

I bijels sono tipicamente fatti di immiscibili, o non miscelazione, liquidi. Le persone che agitano la bottiglia di vinaigrette prima di versare il condimento sull'insalata hanno familiarità con tali liquidi. Non appena l'agitazione si ferma, i liquidi ricominciano a separarsi, con il liquido a bassa densità - spesso olio - che sale verso l'alto.

intrappolamento, o incepparsi, le particelle in cui questi liquidi immiscibili si incontrano possono impedire ai liquidi di separarsi completamente, stabilizzare la sostanza in un bijel. Ciò che rende bijels straordinario è che, piuttosto che creare solo le goccioline sferiche che normalmente vediamo quando proviamo a mescolare olio e acqua, le particelle all'interfaccia modellano i liquidi in reti complesse di canali fluidi interconnessi.

I Bijel sono notoriamente difficili da realizzare, però, coinvolgendo temperature esatte in fasi precisamente temporizzate. Inoltre, i canali del liquido sono normalmente più di 5 micrometri di diametro, rendendoli troppo grandi per essere utili nella conversione e catalisi dell'energia.

"I Bijels sono stati a lungo interessanti come materiali di nuova generazione per applicazioni energetiche e sintesi chimiche, ", ha detto l'autore principale dello studio Caili Huang. "Il problema è stato farne abbastanza, e con caratteristiche della giusta dimensione. In questo lavoro, risolviamo questo problema."

Huang ha iniziato il lavoro come studente laureato con Thomas Russell, ricercatore principale dello studio, presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, e ha continuato il progetto come ricercatore post-dottorato presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE.

Creare una nuova ricetta del bijel

Il metodo descritto in questo nuovo studio semplifica il processo bijel utilizzando innanzitutto particelle appositamente rivestite di circa 10-20 nanometri di diametro. Le particelle di dimensioni più piccole rivestono le interfacce liquide molto più rapidamente di quelle utilizzate nei bijel tradizionali, rendendo i canali più piccoli che sono molto apprezzati per le applicazioni.

"In pratica abbiamo preso liquidi come olio e acqua e abbiamo dato loro una struttura, ed è una struttura che può essere cambiata, " ha detto Russel, uno scienziato della facoltà in visita al Berkeley Lab. "Se le nanoparticelle rispondono all'elettricità, magnetico, o stimoli meccanici, i bijels possono diventare riconfigurabili e rimodellati su richiesta da un campo esterno."

I ricercatori sono stati in grado di preparare nuovi bijels da una varietà di comuni organici, solventi insolubili in acqua, come il toluene, che aveva ligandi disciolti in esso, e acqua deionizzata, che conteneva le nanoparticelle. Per garantire un'accurata miscelazione dei liquidi, hanno sottoposto l'emulsione a un vortice che ruota a 3, 200 giri al minuto.

"Questo scuotimento estremo crea un sacco di nuovi posti in cui queste particelle e questi polimeri possono incontrarsi, ", ha affermato il coautore dello studio Joe Forth, un borsista post-dottorato presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. "Stai sintetizzando molto di questo materiale, che è in effetti un sottile, Rivestimento 2-D delle superfici liquide nel sistema."

I liquidi sono rimasti un bijel anche dopo una settimana, segno della stabilità del sistema.

Russel, che è anche professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso l'Università del Massachusetts-Amherst, ha aggiunto che queste caratteristiche di cambiamento di forma sarebbero preziose nei microreattori, dispositivi microfluidici, e attuatori morbidi.

Supersapone nanoparticellare

Le nanoparticelle non erano state considerate seriamente nei bijels prima perché le loro piccole dimensioni le rendevano difficili da intrappolare nell'interfaccia liquida. Per risolvere quel problema, the researchers coated nano-sized particles with carboxylic acids and put them in water. They then took polymers with an added amine group - a derivative of ammonia - and dissolved them in the toluene.

This configuration took advantage of the amine group's affinity to water, a characteristic that is comparable to surfactants, like soap. Their nanoparticle "supersoap" was designed so that the nanoparticles join ligands, forming an octopus-like shape with a polar head and nonpolar legs that get jammed at the interface, hanno detto i ricercatori.

"Bijels are really a new material, and also excitingly weird in that they are kinetically arrested in these unusual configurations, " said study co-author Brett Helms, uno scienziato del personale presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab. "The discovery that you can make these bijels with simple ingredients is a surprise. We all have access to oils and water and nanocrystals, allowing broad tunability in bijel properties. This platform also allows us to experiment with new ways to control their shape and function since they are both responsive and reconfigurable."

The nanoparticles were made of silica, but the researchers noted that in previous studies they used graphene and carbon nanotubes to form nanoparticle surfactants.

"The key is that the nanoparticles can be made of many materials, " said Russell. "The most important thing is what's on the surface."