Olio e acqua non possono mescolarsi, ma l'aggiunta delle giuste nanoparticelle alla ricetta può convertire questi due fluidi immiscibili in un gel esotico con usi che vanno dalle batterie ai filtri per l'acqua alle finestre intelligenti che cambiano colore. Un nuovo approccio alla creazione di questa insolita classe di materiali morbidi potrebbe portarli fuori dal laboratorio e nel mercato.

Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Delaware hanno scoperto quello che sembra essere un modo migliore per creare questi gel, che sono state un'area di intenso focus di ricerca per più di un decennio. Parte della loro utilità potenzialmente ampia è il complesso insieme di canali microscopici interconnessi che si formano al loro interno, creando una struttura spugnosa. Questi canali non solo offrono passaggi per il passaggio di altri materiali, rendendoli utili per la filtrazione, ma danno anche al gel un'elevata quantità di superficie interna, una caratteristica preziosa per accelerare le reazioni chimiche o come impalcatura su cui possono crescere i tessuti viventi.

Mentre questi e altri vantaggi fanno sembrare che gli innovatori del gel abbiano colpito il petrolio, le loro creazioni non si sono ancora mescolate bene con il mercato. I gel sono comunemente formati da due solventi liquidi mescolati insieme. Come con olio e acqua, questi solventi non si mescolano bene, ma per evitare che si separino completamente, i ricercatori aggiungono nanoparticelle progettate su misura che possono rimanere nell'interfaccia tra di loro. La cottura attenta di questi ingredienti consente la formazione di un gel coesivo. Però, il processo è impegnativo perché la progettazione personalizzata di nanoparticelle per ogni applicazione è stata difficile, e la formazione dei gel ha richiesto un rapido cambiamento di temperatura attentamente controllato. Questi vincoli hanno reso difficile creare questo tipo di gel in quantità più che piccole adatte per esperimenti di laboratorio piuttosto che su scala industriale.

Come descritto in un nuovo Comunicazioni sulla natura carta, il team del NIST/Delaware ha trovato il modo di eludere molti di questi problemi. Il suo nuovo approccio forma ciò che i ricercatori chiamano "SeedGel, " un'abbreviazione per "gel guidato dalla segregazione del solvente." Invece di progettare nanoparticelle in modo che rimangano all'interfaccia tra i due solventi, le loro particelle scelte si concentrano all'interno di una di esse. Mentre queste particelle tendono a respingersi a vicenda, l'affinità delle particelle verso uno dei solventi è più forte e le mantiene unite nel canale. Utilizzando strumenti di diffusione di neutroni presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni (NCNR), il team ha dimostrato inequivocabilmente di essere riuscito a concentrare le nanoparticelle dove voleva.

Il gel risultante potrebbe essere molto più facile da creare, poiché i suoi due solventi sono essenzialmente olio e acqua, e le sue nanoparticelle sono biossido di silicio, essenzialmente minuscole sfere di quarzo comune. Potrebbe anche avere una varietà di usi industriali.

"Il nostro SeedGel ha una grande resistenza meccanica, è molto più facile da realizzare, e il processo è scalabile in base a ciò di cui i produttori avrebbero bisogno, "ha detto Yun Liu, che è sia uno scienziato del NCNR che un professore ordinario affiliato all'Università del Delaware. "Inoltre è termoreversibile."

Questa reversibilità si riferisce a una proprietà ottica che possiede il SeedGel finito:può passare da trasparente a opaco e viceversa, semplicemente cambiando la sua temperatura. Questa proprietà potrebbe essere sfruttata in finestre intelligenti che racchiudono un sottile strato di gel tra due lastre di vetro.

"Questa proprietà ottica potrebbe rendere il SeedGel utile anche in altre applicazioni sensibili alla luce, " disse Yuyin Xi, un ricercatore dell'Università del Delaware che lavora anche al NCNR. "Potrebbero essere utili nei sensori."

Poiché l'approccio di creazione del gel del team potrebbe essere utilizzato con altre combinazioni di solventi e nanoparticelle, potrebbe diventare utile nei filtri per la purificazione dell'acqua ed eventualmente in altri processi di filtrazione a seconda del tipo di nanoparticelle utilizzate.

Liu ha anche affermato che l'approccio di creazione consente di regolare la dimensione dei canali all'interno del gel modificando la velocità con cui la temperatura cambia durante il processo di formazione, offrendo ai progettisti di applicazioni un altro grado di libertà da esplorare.

"Il nostro è un approccio generico che funziona per molte nanoparticelle e solventi diversi, " ha detto. "Si estende notevolmente le applicazioni di questo tipo di gel".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.