EU-forskare har visat hur små nanotekniska partiklar suspenderade i en vätska separeras efter storlek när vätskan avdunstar, en effekt som kan leda till tekniker för att göra lagerstrukturer som förbättrar prestandan hos många vardagsprodukter, som solkräm och elektronik.
Det EU-finansierade BARRIER PLUS-projektet har publicerat resultat från experiment där de framgångsrikt har kunnat visa, både teoretiskt och experimentellt, den där färgen som består av två partiklar av två olika storlekar, om de är tillräckligt stora, separera ut under torkning.
Resultatet är att de mindre partiklarna, som är i nanoteknisk skala på bara en tusendel av ett människohår, bilda ett lager ovanpå de större, en helt ny teknik. Genom att producera kolloider som torkar till en tvåskiktsstruktur, effekten kan möjliggöra skapandet av kosmetika och elektroniska apparater med nya egenskaper.
När vätskan i en torkande kolloid avdunstar, partiklar under tjänsten tvingas närmare varandra eftersom Brownska rörelser resulterar i att partiklarna knuffas ihop slumpmässigt. För mindre partiklar, Brownsk rörelse är snabbare, så att de lättare kan omfördela sig själva när kolloidvolymen minskar. Större partiklar kan inte röra sig bort så snabbt och ackumuleras därför vid gränsytan mellan ytan och luften.
Forskare som har studerat kolloider som innehåller partiklar av olika storlekar har funnit att för vissa avdunstningshastigheter, större partiklar koncentrerades i toppen av torkfilmen medan mindre partiklar var mer jämnt fördelade överallt. Det antogs allmänt att detsamma gällde för alla avdunstningshastigheter.
Oväntad och oförutsägbar stratifiering
Dock, BARRIER PLUS forskare baserade vid University of Surrey, STORBRITANNIEN, upptäckte precis motsatsen, när de undersökte närmare en suspension innehållande två storlekar av partiklar. Den stratifiering de hittade var varken förväntad eller förutspådd, och som sådan tillbringade flera månader att verifiera sina resultat, genomför både detaljerade datorsimuleringar och labbexperiment på vattenbaserade kolloider som innehåller sfäriska partiklar av två storlekar.
Teamet modellerade suspensioner som innehöll stora och små partiklar med olika storleksförhållanden och med flera olika populationsförhållanden. När vattnet avdunstat, de mindre sfärerna flyttade upp, medan de större gick ner. Effekten inträffade för partikelstorleksförhållanden från 2:1 till 14:1, men endast när antalet små partiklar var högre än antalet stora med en faktor på 200 eller mer.
De verifierade sedan effekten genom att använda akrylpartiklar med diametrar på 385 och 55 nanometer suspenderade i vatten, märkning av de större sfärerna med ett rött fluorescerande färgämne. Efter att kolloiderna torkat, forskarna upptäckte återigen att delningen av partiklar hade inträffat igen, men bara förutsatt att det numeriska förhållandet mellan små och stora partiklar var över 200.
Möjligheter till innovation
Efter BARRIER PLUS-experimenten, denna process av partikelskiktning kan leda till utvecklingen av nya och innovativa produkter inom en rad branscher. Ett exempel är solkräm, där solljusblockerande partiklar kan utformas till toppen när de appliceras, lämnar partiklarna som fastnar på huden under. Det finns även möjligheter för elektronikindustrin, som en beläggning för en mobiltelefon skulle kunna utvecklas med dubbla egenskaper, som reptålighet på ovansidan och förmågan att fästa på glas i botten.
