(Phys.org)-Forskare från NIST Center for Nanoscale Science and Technology har använt tredimensionell enkelpartikelspårning för att mäta det dynamiska beteendet hos enskilda nanopartiklar som adsorberats på ytan av mikrometerskaliga oljedroppar i vatten.
Resultaten visade att diffusionen av partiklarna beror på deras storlek, med mindre partiklar som diffunderar mycket långsammare än förväntat. En detaljerad förståelse för hur kolloidala nanopartiklar interagerar med gränssnitt är avgörande för att designa dem för specifika applikationer inom områden som sträcker sig från läkemedelsleverans till oljeutforskning och återvinning. Forskarna utvecklade ett återkopplingsstyrsystem med kontrollelektronik i realtid för att aktivera ett piezoelektriskt stadium, flytta provet för att låsa den rörliga nanopartikeln i observationsvolymen för ett optiskt mikroskop.
Tekniken, som utlöser fotoner som samlats in situ från en enskild fluorescerande nanopartikel, ger högupplöst tredimensionell positionsinformation med utmärkt tidsupplösning och med den extra fördelen av känslighet för kemisk aktivitet. Partiklar i storlek från 20 nm till 2000 nm följdes i realtid när de diffunderade fritt i vatten och över de böjda ytorna på oljedroppar av olika storlek. Som förväntat, diffusionskoefficienterna skalas med partikelstorlek för de fritt diffunderande partiklarna. Dock, det fanns en signifikant och oväntad minskning av diffusionskoefficienterna för mindre ( <200 nm) nanopartiklar när de diffunderade vid gränssnittet mellan olja och vatten.
Vidare, för en given partikelstorlek, forskarna observerade en stor spridning i diffusionskoefficienterna uppmätta vid gränssnittet, medan ingen sådan effekt observerades för de fritt diffunderande partiklarna. För att passa mätningarna bättre, den grundläggande modellen som fungerar bra för större partiklar som diffunderar vid ett vätske-vätskegränssnitt måste modifieras för att ta hänsyn till linjespänning (den endimensionella analogen av ytspänning) vid gränssnittet mellan de mindre nanopartiklarna, oljan, och vattnet.
Forskarna tror att variationen i diffusionskoefficienterna hos partiklarna som adsorberas vid gränssnittet troligen är en återspegling av subtila variationer i partiklarnas ytkemi, vilket tyder på att diffusionsmätningar kan ge ett nytt sätt att jämföra partikelytkemier. Medan dynamiken hos isolerade partiklar ger många användbara insikter om deras beteende, typiska konstgjorda och naturliga system är vanligtvis mycket mer komplexa, med heterogena vätskor, trånga miljöer, och starka partikel-partikel-interaktioner.
Forskarna tror att man använder realtid, tredimensionell partikelspårning för att observera avsiktligt insatt, enstaka spårpartiklar kan vara ett idealiskt verktyg för att undersöka komplicerade vätskesystem, såsom det inre av celler, eller olja/vatten -blandningar fångade inuti poröst berg.
