Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
Forskare vid Texas A&M University har hittat ett sätt att kontrollera laddningen av nanopartiklar på ett tvåvätskegränssnitt för att skapa ett mer stabilt system där dess laddning också kan växlas och kontrolleras. Möjligheten att ändra laddningen av nanopartiklar på ett tvåvätskegränssnitt skulle resultera i en yta som skulle kunna anpassa sig för att passa många olika applikationer, såsom en mer hållbar brandbekämpningsoperation och till och med kontrollerad frisättning i vissa mediciner.
"Baserat på den här idén föreslog vi ett koncept att detta kommer att vara ett pH-känsligt material. Om vi ändrar pH-värdet kan vi kontrollera den molekylära diffusionen", säger Dr. Qingsheng Wang, docent vid Artie McFerrin Department of Chemical Ingenjör och innehavare av George Armistead '23 Faculty Fellowship vid Texas A&M.
Teamets forskning publicerades i American Chemical Societys tidskrift, ACS Applied Materials &Interfaces .
Emulsion är en blandning av två eller flera oförenliga och oblandbara vätskor, ungefär som olja och vatten, som kan stabiliseras genom interferens av fasta partiklar. Dessa fasta partiklar samlas tätt vid vätske-vätska-gränssnittet, som simbanor i en simbassäng, för att förhindra koalescens. Denna process är känd som Pickering-emulsion.
Framgången för detta system är i slutändan möjlig genom användningen av grafenkvantprickar (GQDs) som innehåller zwitterjoniska egenskaper. Med hjälp av flera ark med GQD:er staplade tillsammans, kan forskargruppen inte bara stabilisera emulsionen, utan också kontrollera molekylär diffusion på gränssnittet genom att justera dess pH-värden, ungefär som att vrida en ljusströmbrytare. Dessa ark är tillsammans mindre än 5 nanometer i tjocklek. För att sätta detta i perspektiv är det genomsnittliga människohåret allt från 80 000 till 100 000 nanometer brett.
De funktionaliserade GQD:erna är sammansatta av nanokolmaterial som innehåller zwitterjonisk struktur, som bildas av nanopartiklar som innehåller lika mycket av både positiva och negativa laddningar samtidigt som de fortfarande är elektroniskt neutrala. Efter att nanopartiklarna har lagts till gränsytan separerar de de två vätskorna genom att göra ena sidan hydrofob och den andra sidan hydrofil.
Denna elektroniska makeup gör det också möjligt att kontrollera gränssnittets totala pH. Genom att justera pH-värdena kan dessa GQD finjusteras för att både blockera och avblockera ett olje-vattengränssnitt. Att ändra nanotrombocyterna på gränssnittet till samma laddning innebär att de kommer att tas isär, vilket skapar ett mer stabilt emulsionssystem.
"Detta kommer att hjälpa oss att designa ett bra system för högpresterande brandsläckning. Dessutom, eftersom vi kan kontrollera frisättningen, kan detta vara lovande för läkemedelsleverans och förbättrad oljeåtervinning", sa Wang. "Vanligtvis är det här väldigt svårt att göra. Och ibland, om vi kan kontrollera frisättningen, men själva systemet inte är stabilt, kanske det bara går att göra en eller två cykler av detta innan systemet kollapsar."
Forskargruppen består av doktorand i kemiteknik Rong Ma och tidigare doktorander i kemiteknik Dr. Minxiang Zeng, numera forskare vid University of Notre Dame, och Dr. Dali Huang, nu processingenjör på Formosa Plastics Corporation. + Utforska vidare
