I nanocristalli all'interno di una gocciolina liquida che viene iniettata in una soluzione oleosa (a sinistra) vengono compressi chimicamente in uno stato 2D "inceppato" simile a un solido (al centro) - che provoca la formazione di rughe sulla superficie della gocciolina - e quindi ritornano a un rilassato, stato liquido (a destra) in cui le rughe si distendono. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
Un team guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha trovato un modo per far sì che uno stato liquido si comporti più come un solido, e poi invertire il processo.
Hanno messo una goccia di un liquido contenente nanocristalli di ossido di ferro in un liquido oleoso contenente minuscoli filamenti di polimeri.
Hanno scoperto che un additivo chimico nella gocciolina può competere con il polimero, come un piccolo tiro alla fune, sulle nanoparticelle all'intersezione dei liquidi.
Sono stati in grado di far inceppare le nanoparticelle assemblate qui, facendolo agire come un solido, e quindi disincrostare e ritornare allo stato liquido mediante l'azione competitiva push-pull del polimero e dell'additivo.
"La capacità di spostarsi tra questi stati inceppati e non inceppati ha implicazioni per lo sviluppo di elettronica completamente liquida, e per interagire con le cellule e controllare le funzioni cellulari, " ha affermato Tom Russell della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, che ha co-condotto lo studio con Brett Helms, uno scienziato del personale presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab. La Molecular Foundry è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE specializzata nella ricerca sulle nanoscienze.
"Siamo stati in grado di osservare queste goccioline subire queste trasformazioni di fase in tempo reale, "Ha detto Helms. "Vedere per credere. Stiamo esaminando le proprietà meccaniche di un liquido 2-D e di un solido 2-D." I risultati sono stati pubblicati online il 3 agosto in Progressi scientifici .
Hanno osservato questo movimento tra i due stati semplicemente osservando i cambiamenti nella forma della goccia. Le modifiche forniscono informazioni sulla tensione sulla superficie della gocciolina, come osservare la superficie di un palloncino che si gonfia o si sgonfia.
Hanno usato un microscopio a forza atomica, che funziona come un minuscolo ago di un giradischi per spostarsi sulla superficie della goccia per misurarne le proprietà meccaniche.
L'ultimo studio si basa su ricerche precedenti di Russell e Helms, ricercatori in visita, e altri nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e presso la Molecular Foundry per scolpire complessi, strutture 3D completamente liquide iniettando fili d'acqua nell'olio di silicone.
Un composto chimico noto come ligando (rosa), che si lega alla superficie dei nanocristalli (verde), compete con il legame dei filamenti polimerici (rosso) in un processo che fa sì che i cristalli si comportino in uno stato solido. Gli scienziati hanno anche dimostrato che la raccolta di nanocristalli può tornare a uno stato liquido. Lo sfondo blu rappresenta una goccia di liquido, e il giallo rappresenta una sostanza oleosa che circonda la gocciolina. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
Mentre il passaggio da stato liquido a stato solido comporta tipicamente variazioni di temperatura, in questo ultimo studio i ricercatori hanno invece introdotto un composto chimico noto come ligando che si lega in modo preciso alla superficie delle nanoparticelle.
"Abbiamo dimostrato non solo che possiamo prendere questi materiali 2-D e subire questa transizione da solido a liquido, ma anche controllare la velocità con cui ciò avviene attraverso l'uso di un ligando a una concentrazione definita, " disse Helms.
A concentrazioni più elevate di ligando, l'assemblaggio dei nanocristalli si è rilassato più rapidamente da uno stato bloccato a uno stato non bloccato.
I ricercatori hanno anche scoperto che potevano manipolare le proprietà delle goccioline liquide nella soluzione oleosa applicando un campo magnetico:il campo può deformare la gocciolina attirando i nanocristalli contenenti ferro, Per esempio, e modificare la tensione sulla superficie delle goccioline.
Trovare nuovi modi per controllare tali sistemi completamente liquidi potrebbe essere utile per interagire con i sistemi viventi, Helms ha detto, come cellule o batteri.
"Essenzialmente potresti avere la capacità di comunicare con loro:spostarli dove vuoi che vadano, o trasferirvi elettroni o ioni, " Russell ha detto. "Essere in grado di accedere a questo tramite semplici input è il valore di questo".
Lo studio è prezioso anche per mostrare le proprietà chimiche e meccaniche fondamentali dei nanocristalli stessi.
Helms ha osservato che la semplicità dell'ultimo studio dovrebbe aiutare gli altri a imparare e a sviluppare la ricerca. "Non abbiamo usato nulla di complicato qui. Il nostro obiettivo è dimostrare che chiunque può farlo. Fornisce informazioni intelligenti sulla nanochimica alle interfacce. Ci mostra anche che i sistemi chimici possono essere progettati con strutture e proprietà su misura nel dominio del tempo come così come nel dominio spaziale."
La ricerca futura potrebbe concentrarsi su come miniaturizzare le strutture liquide per applicazioni biologiche o per applicazioni energetiche in materiali 2-D, ha notato Russel.
"La bellezza di questo lavoro è la manipolazione di elementi su scala nanometrica, solo miliardesimi di pollice di dimensioni, in costrutti più grandi che rispondono e si adattano al loro ambiente o a specifici fattori scatenanti, " Egli ha detto.
