En ny tvådimensionell film, tillverkad av polymerer och nanopartiklar och utvecklad av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kan styra två olika icke-blandande vätskor till en mängd olika exotiska arkitekturer. Detta fynd kan leda till mjuk robotik, vätskekretsar, formskiftande vätskor, och en mängd nya material som använder mjuka, snarare än fast, ämnen.

Studien, rapporterade idag i tidningen Naturens nanoteknik , presenterar den senaste posten i en klass av ämnen som kallas bicontinuous jammed emulsion gels, eller bijels, som lovar som en formbar vätska som kan stödja katalytiska reaktioner, elektrisk konduktivitet, och energiomvandling.

Bijels är vanligtvis gjorda av oblandbara, eller icke-blandning, vätskor. Människor som skakar sin flaska vinägrett innan de häller dressingen på sin sallad känner till sådana vätskor. Så fort skakningarna upphör, vätskorna börjar separera igen, med vätskan med lägre densitet - ofta olja - som stiger till toppen.

Fångst, eller jamming, partiklar där dessa oblandbara vätskor möts kan hindra vätskorna från att separera helt, stabilisera ämnet till en bijel. Det som gör bijels anmärkningsvärt är att, snarare än att bara göra de sfäriska dropparna som vi normalt ser när vi försöker blanda olja och vatten, partiklarna vid gränsytan formar vätskorna till komplexa nätverk av sammankopplade vätskekanaler.

Bijels är notoriskt svåra att göra, dock, som involverar exakta temperaturer vid exakt tidsinställda stadier. Dessutom, vätskekanalerna är normalt mer än 5 mikrometer tvärs över, vilket gör dem för stora för att vara användbara vid energiomvandling och katalys.

"Bijels har länge varit intressanta som nästa generations material för energitillämpningar och kemisk syntes, ", sade studiens huvudförfattare Caili Huang. "Problemet har varit att göra tillräckligt med dem, och med funktioner i rätt storlek. I det här arbetet, vi löser det problemet."

Huang började arbetet som doktorand med Thomas Russell, studiens huvudutredare, vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, och han fortsatte projektet som postdoktor vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory.

Skapar ett nytt bijelrecept

Metoden som beskrivs i denna nya studie förenklar bijelprocessen genom att först använda specialbelagda partiklar cirka 10-20 nanometer i diameter. De mindre partiklarna kantar vätskegränsytan mycket snabbare än de som används i traditionella bijels, gör de mindre kanalerna som är högt värderade för applikationer.

"Vi har i princip tagit vätskor som olja och vatten och gett dem en struktur, och det är en struktur som kan ändras, sa Russell, en gästforskare vid Berkeley Lab. "Om nanopartiklarna är känsliga för elektriska, magnetisk, eller mekaniska stimuli, bijelsna kan bli omkonfigurerbara och omformas på begäran av ett externt fält."

Forskarna kunde förbereda nya juveler från en mängd vanliga ekologiska, vattenolösliga lösningsmedel, såsom toluen, som hade ligander lösta i sig, och avjoniserat vatten, som innehöll nanopartiklarna. För att säkerställa noggrann blandning av vätskorna, de utsatte emulsionen för en virvelspinning vid 3, 200 varv per minut.

"Denna extrema skakning skapar en hel massa nya platser där dessa partiklar och polymerer kan möta varandra, "sa studieförfattaren Joe Forth, en postdoktor vid Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Du syntetiserar mycket av det här materialet, som i själva verket är en tunn, 2D-beläggning av vätskeytorna i systemet."

Vätskorna förblev en bijel även efter en vecka, ett tecken på systemets stabilitet.

Russell, som också är professor i polymervetenskap och teknik vid University of Massachusetts-Amherst, tillade att dessa formskiftande egenskaper skulle vara värdefulla i mikroreaktorer, mikrofluidiska enheter, och mjuka ställdon.

Nanoparticle supersoap

Nanoparticles had not been seriously considered in bijels before because their small size made them hard to trap in the liquid interface. To resolve that problem, 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, sa forskarna.

"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, a staff scientist at Berkeley Lab's Molecular Foundry. "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."