Där vatten och olja möts, en tvådimensionell värld existerar. Detta gränssnitt presenterar en potentiellt användbar uppsättning egenskaper för kemister och ingenjörer, men att få något mer komplext än en tvålmolekyl att stanna där och bete sig förutsägbart är fortfarande en utmaning.

Ett team från University of Pennsylvania har nu visat hur man gör nanopartiklar som attraheras av detta gränssnitt men inte till varandra, skapa ett system som fungerar som en tvådimensionell vätska. Genom att mäta denna vätskas tryck och densitet, de har visat en väg framåt genom att använda den för en mängd olika applikationer, som i nanotillverkning, katalys och fotoniska anordningar.

Genom att skapa ett system där dessa partiklar inte klumpar ihop sig i kluster eller skal, de har möjliggjort ett sätt att undersöka de fysiska grunderna för hur objekt i nanoskala interagerar med varandra i två dimensioner.

Arbetet har utförts av postdoktorn Valeria Garbin, doktorand Ian Jenkins och professorerna Talid Sinno, John Crocker och Kathleen Stebe, alla av Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science.

Den publicerades i Fysiska granskningsbrev .

"Saker fastnar i gränssnittet mellan olja och vatten, " sa Stebe. "Det är av enormt fundamentalt och tekniskt intresse, eftersom vi kan tänka på det gränssnittet som en tvådimensionell värld. Om vi ​​kan börja förstå samspelet mellan de saker som ackumuleras där och lära oss hur de är ordnade, vi kan utnyttja dem i ett antal olika applikationer."

Att få nanopartiklar att gå till och stanna vid detta gränssnitt är knepigt, dock. Deras ytkemi kan lätt anpassas till antingen vatten eller olja, men att balansera de två för att få partiklarna att stanna i denna 2D-regim är svårare.

"Vi förstår hur partiklar fungerar i 3D, " sa Crocker. "Om du lägger polymerkedjor på ytan som attraheras av lösningsmedlet, partiklarna kommer att studsa av varandra och göra en fin suspension, vilket betyder att du kan arbeta med dem. Dock, folk har inte riktigt gjort det i 2D tidigare."

Även när partiklar kan stanna vid gränssnittet, de tenderar att klumpa ihop sig och bilda en hud som inte kan dras isär till dess beståndsdelar.

"Alla partiklar älskar sig själva, " sa Stebe. "Bara på grund av Van der Waals interaktioner, om de kan komma tillräckligt nära, de samlas. Men eftersom våra nanopartiklar har skyddande ligandarmar, de klumpar sig inte och bildar ett flytande tillstånd. De är i tvådimensionell jämvikt."

Teamets teknik för att övervinna detta problem hängde på att dekorera sina guldnanopartiklar med ytaktivt ämne, eller tvålliknande, ligander. Dessa ligander har ett vattenälskande huvud och en oljeälskande svans, och sättet de är fästa på den centrala partikeln gör att de kan förvränga sig själva så att båda sidor är nöjda när partikeln är vid ett gränssnitt. Detta arrangemang ger en "flygande tefat"-form, med liganderna som sträcker sig ut mer vid gränsytan än över eller under. Dessa ligandstötfångare hindrar partiklarna från att klumpa ihop sig.

"Detta är ett mycket vackert system, " Sa Stebe. "Förmågan att trimma deras packning innebär att vi nu kan ta allt vi vet om jämviktstermodynamiken i två dimensioner och börja ställa frågor om partikellager. Beter sig dessa partiklar som vi tror att de borde? Hur kan vi manipulera dem i framtiden?"

För att komma till grunderna i detta system, forskarna behövde härleda sambanden mellan vissa egenskaper, såsom hur trycket på deras 2D-vätska förändras som en funktion av packningen av partiklarna. De använde en variant av hängande droppmetoden, i vilken en oljedroppe bildas i en suspension av partiklar i vatten. Över tid, partiklar fästa vid gränsytan mellan olja och vatten, producera 2D-vätskan i en form där de kunde mäta dessa egenskaper.

"Vi kan härleda trycket på denna 2D-vätska genom formen på droppen, "Sade Stebe. "När vi komprimerar droppen genom att dra tillbaka lite av oljan i sprutan, vi kan bestämma hur formen förändras och relatera det till trycket i lagret."

Forskarna behövde också fastställa hur tätt partiklarna packades. Att göra så, de ville dra fördel av att droppen blev mer ogenomskinlig när partikelns densitet ökade när droppen komprimerades. Dock, det var inte möjligt att bara mäta mängden ljus som lyste genom droppen, eftersom plasmoniskt beteende innebar att egenskaperna hos guldnanopartiklarna förändrades när de kom närmare varandra.

"Lyckligtvis, vi upptäckte en annan intressant egenskap hos detta nanopartikelsystem, " sa Garbin. "Om droppen komprimerades för mycket, vissa partiklar skulle falla ut ur gränssnittet eftersom de inte passade längre. Detta gjorde det möjligt för oss att mäta mängden partiklar som fanns i den fallande plymen, eftersom partiklarna är längre ifrån varandra där. Från den mätningen, vi skulle kunna arbeta baklänges till antalet partiklar på gränssnittet"

Det smidiga förhållandet mellan partiklarnas packning och trycket i den 2D-vätska de bildar utgör grunden för universella regler som styr fysiken i sådana system.

"Från dessa uppgifter, Crocker sa, "vi kan räkna ut kraften kontra avståndet för två nanopartiklar. Det betyder att vi nu kan göra en modell av hur dessa partiklar beter sig i 2D-vätskan."

Genom att ha dessa regler kommer forskare att kunna utveckla funktionella nanopartiklar med olika egenskaper, såsom längre och mer komplexa ligander som utför någon kemisk uppgift.

"En applikation är gränssnittskatalys, " sa Stebe. "Till exempel, om du har ett reagens som är i oljefasen, men dess produkt är i vattenfasen, att ha en partikel på gränssnittet som kan hjälpa till att flytta den från den ena till den andra skulle vara perfekt."

En bättre förståelse för när och varför partiklar fastnar i vätske-vätskegränssnitt kan också stödja framtida arbete.