Att krympa undersökningen av objekt ner till nanometerskalan avslöjar ofta nya egenskaper hos materia som inte har någon motsvarighet för sin bulkanalys. Detta fenomen motiverar många aktuella studier av nanomaterial som kan avslöja fascinerande nya fenomen.

Det inspirerade en grupp forskare vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS) att utforska omfattningen av vår kunskap om grundläggande egenskaper hos vätskor, vilket kräver omprövning med den ökande användningen av vätskor i de minskande storlekarna av nya enheter, där deras flöde är begränsat till allt mindre kapillärrör.

Som gruppen rapporterar i Journal of Chemical Physics de upptäckte ett märkligt tillstånd av blandbar, eller blandbar, vätskor som finns i nanokanaler.

Detta märkliga tillstånd "motsvarar ett välordnat, koncentriskt arrangemang av två samexisterande vätskeområden med olika sammansättning, sa Denis Morineau, forskningschef på CNRS, i Rennes. "En region bildar ett skal som omger en andra flytande kärna, båda har en radiell tjocklek av endast en till fyra molekylstorlekar.

"[Fenomenet] är känt som 'mikrofasseparation' eftersom det inte innebär att beståndsdelarna i de två flytande regionerna verkligen kommer att fasseparera, " sade han. "De bildar faktiskt en unik homogen flytande fas under normala förhållanden. Faktiskt, denna dolda tendens hos binära vätskor att bilda spontana supramolekylärt ordnade strukturer avslöjas endast i mikroskopisk skala."

I grundskolan, många elever experimenterar med bläckdroppar från, säga, en reservoarpenna för att observera deras spridning i ett glas vatten. Så småningom, droppen sprids helt och den blandbara kombinationen leder till bildandet av en homogen, ljusblå lösning.

"Detta visar att två vätskor är helt blandbara och deras binära blandning bildar en enda vätskefas vid termodynamisk jämvikt, " sade Morineau. "Nu, genom att kombinera olika par av enkla lösningsmedel, vi har visat att denna inneboende egenskap hos helt blandbara binära vätskor ogiltigförklaras när behållarens storlek minskas."

Effektivt, de mätte direkt hur liten är för liten för att ett prov av två blandbara vätskor ska betraktas som en kombinerad lösning.

Detta fenomen observerades först under ett neutronspridningsexperiment utfört vid den franska neutronkällan Orphée i Laboratory Léon Brillouin (LLB). Studien vidareutvecklades vid LLB i samarbete med European Large Scale Facility (Institute Laue-Langevin).

"Spridda neutroner avslöjar var atomer finns i provet med en rumslig upplösning som når nanometerskalan, " sade Morineau. "Den unika metoden är känslig för atomens isotopiska natur. Till skillnad från röntgenstrålar, de ger en tydlig skillnad mellan väte och (väteisotopen) deuterium."

Gruppen använde denna metod för att studera strukturen hos enkla lösningsmedel som kolväten och alkoholer, impregnerad i syntetisk, porösa fasta ämnen av silikaglas. Glaset hade ett bikakeliknande arrangemang av parallella, åtta nanometer breda cylindriska kanaler. Det porösa materialet fungerade som en samling av nanometerstora provrör.

Morineaus grupp blandade molekyler av samma vätska, men skiljer sig i det totala antalet neutroner från utbytet av väteatomer med dess tyngre isotop, deuterium. Med rätt proportioner, blandningen kan ställas in för att sprida neutroner som matchar spridningen från glasrören, gör de två omöjliga att skilja.

"Vi använde först detta trick för att förbereda och begränsa vätskor som har samma interaktion med neutroner som nanokapillärerna i kiselglas. Under detta kontrastmatchande tillstånd, neutronen är blind för vätskan och den uppmätta spridda intensiteten avbryts, " sade Morineau. "[Med bläck skulle detta] motsvara situationen där både den färgade lösningen och glasbehållaren har exakt samma färg, gör dem omöjliga att särskilja."

Gruppen hade en överraskande observation för några betrodda binära vätskor, där de förväntade sig neutronmatchningsbeteende, men signalen var högre än någonsin.

"Detta var det första direkta beviset på att paradigmet med homogen sammansättning i en helt blandbar blandning måste bryta ner inom nanokanaler, sa Morineau.

För verklig tillämplighet, gruppen utökade en serie noggrant designade experiment för att etablera metoder för att märka komponenterna i binära vätskor.

"Kombinerat med utvecklingen av en beräkningsmodell, det visar utmärkt överensstämmelse med våra nuvarande experiment, "Sade Morineau. "Vi har tillhandahållit en praktisk metod för att bedöma de ursprungliga strukturerna hos vätskor som är insugna i nanometerskaliga miljöer."

Att manipulera vätskor i nanostrukturerade porer är en aktivitet som är gemensam för många kemi- och materialvetenskapliga processer, men spelar också en betydande roll i biologiska miljöer där forskarna förväntar sig att deras arbete har bred tillämpbarhet.

"Vår studie tyder på att mikrofasseparation, som en ny typ av nanostruktur, resultat av de samtidiga effekterna av specifika ytinteraktioner och rumslig inneslutning, " sa Morineau. "Så vi är glada över möjligheten som moduleringen av båda elementen erbjuder för att främja en ny kontroll på supermolekylär sammansättning av komplexa blandningar."

De planerar att ytterligare undersöka dynamiken, egenskaper som inte är i jämvikt och vätskeflöde i sådana system. "Dessa är i grunden av intresse, såväl som för utvecklingen av nanofluidiska enheter, ", sa han. "Vi samarbetar nu med två forskargrupper från Hamburg för att utforska dessa olika perspektiv."