En schema över mjuka nanokolloidala suspensioner innefattande mjuk polyetylenglykol (PEG) bundna kiseldioxid nanopartiklar suspenderade i PEG -oligomerer. Bilderna visar variationen i fysiska egenskaper med ökande partikelbelastning och elektronmikrofotografiet visar de väl dispergerade partiklarna i dessa suspensioner.
(Phys.org) - Vattens ovanliga egenskaper, inklusive dess avvikande termiska expansion och densitetsanomali, har fascinerat forskare i decennier. Dessa egenskaper är notoriskt svåra att undersöka experimentellt på grund av de naturligtvis små längdskalorna och komplexa interaktioner som tycks styra fysiken hos dessa material. Studier av små partiklar (kolloider) dispergerade i lösningsmedel, kallas kolloidala suspensioner, används som modeller för atom- och molekylvätskor har visat att några av dessa avvikelser kan konstrueras i kolloidala suspensioner av mjuka partiklar.
En rapport publicerad i Fysiska granskningsbrev beskriver forskning som utförts vid U.S. Department of Energy Office of Science Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory som belyser arrangemang och rörlighet för mjuka nanopartiklar i täta suspensioner som speglar avvikelser som observeras i komplexa vätskor som vatten. Denna upptäckt, som är den första förekomsten av experimentell observation av sådant beteende i en kolloidal suspension, möjliggör en förlängning av verktygslådan för den experimentella fysikern som är intresserad av att använda suspensioner för att efterlikna molekylära vätskor, med den extra fördelen med lättillgängliga längd- och tidsskalor.
Forskargruppen, med medlemmar från Cornell University och Argonne, syntetiserade mjuka nanopartiklar genom att tätt fästa små polymerer på ytan av kiseldioxid nanopartiklar. Småvinkelröntgenspridning (SAXS) och röntgenfotonkorrelationsspektroskopi (XPCS) -mätningar utfördes vid röntgen Science Division strålningslinjer 12-ID-B och 8-ID-I vid APS för att avslöja jämviktsstrukturen och egenskaperna hos partikelrörelse, respektive.
Det visade sig att partikelarrangemangen blir mer störda och rör sig snabbare när fler partiklar tillsätts i suspensionen bortom en kritisk partikelvolymfraktion, sammanfaller med en kraftig ökning av motståndet från systemet av ympade nanopartiklar mot fysiska deformationer.
Detta står i kontrast till den vanliga situationen där ökad koncentration av partiklar i en utspädd suspension minskar det tillgängliga utrymmet för att placera nya partiklar, vilket ökar partiklarna och saktar ner dem.
Utveckling av strukturfaktor (S (q)) och avslappningstider (τ) med partikelbelastning (ϕ) för mjuka nanopartikelsuspensioner. Maximas utseende på höjden av den första toppen av S (q) indikerar tydligt den strukturella avvikelsen, medan maxima i avslappningstider indikerar transportanomali i de mjuka nanokolloidala suspensionerna. Dessa resultat erhölls från SAXS- och XPCS -mätningar, respektive.
"Det blir lättare för alla partiklar i dessa suspensioner att sprida sig när de är mer omgivna av sina grannar. Den här situationens kontraintuitiva karaktär kan illustreras med följande analogi - det är lättare att springa och göra en touch ner när motståndaren laget har femton personer i försvar, "sa Samanvaya Srivastava, en doktorand vid Cornell University och huvudförfattare till artikeln Physical Review Letters.
Det anomala beteendet hos partiklar som suspenderas i vatten och andra komplexa vätskor har länge hävdats att det finns system för mjuk avstötning, som kännetecknas av en potentiell energi som uppvisar en begränsad bredd över vilken partikelinteraktion sker. Dessa empiriska fynd ger stöd åt en växande konsensus från simuleringsstudier och tillhandahåller ett modellsystem för att studera system med mjuka avstötande interaktioner.
