Flytande strukturer - flytande droppar som bibehåller en specifik form - är användbara för en mängd olika applikationer, från livsmedelsbearbetning till kosmetika, medicin, och till och med petroleumutvinning, men forskare har ännu inte utnyttjat dessa spännande nya materials fulla potential eftersom det inte är mycket känt om hur de bildas.

Nu, ett forskarlag under ledning av Berkeley Lab har spelat in högupplösta videor i realtid av vätskestrukturer som tar form som nanopartikeltensider (NPS) - tvålliknande partiklar bara miljarddels meter stora - fastnar tätt ihop, sida vid sida, för att bilda ett fast-liknande skikt vid gränsytan mellan olja och vatten.

Deras resultat, nyligen med på omslaget till Vetenskapens framsteg , skulle kunna hjälpa forskare att bättre optimera vätskestrukturer för att främja nya biomedicinska applikationer såsom omkonfigurerbar mikrofluidik för läkemedelsupptäckt och helt flytande robotik för målinriktad leverans av cancerläkemedel, bland andra.

I experiment ledda av medförfattaren Paul Ashby, en stabsforskare vid Berkeley Labs avdelning för Molecular Foundry and Materials Sciences, och Yu Chai, en tidigare postdoktor i Ashby-gruppen som nu är biträdande professor vid City University of Hong Kong, forskarna använde en speciell avbildningsteknik som kallas atomkraftsmikroskopi (AFM) för att ta de första realtidsfilmerna någonsin av NPS som trängs ihop och fastnar vid gränssnittet mellan olja och vatten, ett kritiskt steg för att låsa en vätska till en specifik form.

Forskarnas filmer avslöjade ett porträtt av NPS-gränssnittet med oöverträffad detalj, inklusive storleken på varje NPS, om gränssnittet bestod av ett eller flera lager, och hur lång tid som gått, ner till den andra, för varje NPS att ansluta till och bosätta sig i gränssnittet.

De spektakulära AFM-bilderna visade också i vilken vinkel en NPS "sitter" vid gränssnittet - ett oväntat resultat. "Vi blev förvånade över hur grova gränssnitten är, ", sa Ashby. "Vi hade alltid ritat illustrationer av ett enhetligt gränssnitt med nanopartiklar fästa i samma kontaktvinkel - men i vår nuvarande studie, vi upptäckte att det faktiskt finns mycket variation."

De flesta avbildningsverktyg i nanoskala kan endast undersöka orörliga prover som antingen är torra eller frusna. Under de senaste två decennierna, Ashby har fokuserat sin forskning på att utveckla unika AFM-funktioner som låter användaren kontrollera sondspetsen så att den försiktigt interagerar med snabbrörliga prover, såsom NPS för den aktuella studien, utan att röra den underliggande vätskan – en utmanande bedrift.

"Att avbilda en flytande struktur på nanoskala, och se nanopartiklarna röra sig i vätska i realtid med en AFM-sond – det skulle inte vara möjligt utan Pauls omfattande expertis, " sa medförfattaren Thomas Russell, en gästforskare vid fakulteten och professor i polymervetenskap och ingenjörskonst från University of Massachusetts som leder programmet Adaptive Interfacial Assemblys Towards Structuring Liquids i Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Den här typen av funktioner är inte tillgängliga någon annanstans förutom på Molecular Foundry."

Forskarna planerar nästa att studera effekten av självgående partiklar i NPS flytande strukturer.