Nanokristaller i en flytande droppe som injiceras i en oljig lösning (vänster) komprimeras kemiskt till ett fast-liknande "fast" 2D-tillstånd (mitten) - vilket gör att rynkor bildas på ytan av droppen - och sedan återgår till en avslappnad, vätskeliknande tillstånd (höger) där rynkorna jämnas ut. Kredit:Lawrence Berkeley National Laboratory
Ett team ledd av forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hittade ett sätt att få ett vätskeliknande tillstånd att bete sig mer som ett fast ämne, och sedan för att vända processen.
De lägger en droppe av en vätska som innehåller nanokristaller av järnoxid i en oljig vätska som innehåller små polymersträngar.
De fann att en kemisk tillsats i droppen kan konkurrera med polymeren - som en liten dragkamp - på nanopartiklar i skärningspunkten mellan vätskorna.
De kunde få nanopartiklarna som samlats här att fastna, få den att fungera som en solid, och sedan att lossa och återgå till ett vätskeliknande tillstånd genom den konkurrenskraftiga push-pull-verkan av polymeren och tillsatsen.
"Förmågan att röra sig mellan dessa fastnade och ej fastade tillstånd har konsekvenser för utvecklingen av helvätskeelektronik, och för att interagera med celler och kontrollera cellulära funktioner, " sa Tom Russell från Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, som ledde studien tillsammans med Brett Helms, en stabsforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry. The Molecular Foundry är en DOE Office of Science User Facility som är specialiserad på nanovetenskaplig forskning.
"Vi kunde se dessa droppar genomgå dessa fasomvandlingar i realtid, " Sade Helms. "Att se är att tro. Vi tittar på de mekaniska egenskaperna hos en 2-D vätska och en 2-D fast substans." Resultaten publicerades online 3 augusti i Vetenskapens framsteg .
De såg denna rörelse mellan de två tillstånden helt enkelt genom att titta på förändringar i formen på droppen. Ändringarna ger information om spänningen på droppens yta, som att observera ytan på en ballong som blåses upp eller töms.
De använde ett atomkraftsmikroskop, som fungerar som en liten skivspelarenål för att röra sig över droppens yta för att mäta dess mekaniska egenskaper.
Den senaste studien bygger på tidigare forskning av Russell och Helms, gästforskare, och andra i Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och på Molecular Foundry för att skulptera komplex, helt flytande 3D-strukturer genom att injicera trådar av vatten i silikonolja.
En kemisk förening känd som en ligand (rosa), som binder till ytan av nanokristaller (grön), konkurrerar med bindningen av polymersträngar (röda) i en process som gör att kristallerna beter sig i ett fast-liknande tillstånd. Forskare visade också att samlingen av nanokristaller kan slappna av tillbaka till ett vätskeliknande tillstånd. Den blå bakgrunden representerar en vätskedroppe, och den gula representerar en oljig substans som omger droppen. Kredit:Lawrence Berkeley National Laboratory
Även om ändring av flytande tillstånd till fast tillstånd vanligtvis innebär temperaturförändringar, i denna senaste studie introducerade forskare istället en kemisk förening känd som en ligand som binder till ytan av nanopartiklarna på ett exakt sätt.
"Vi visade inte bara att vi kunde ta dessa 2D-material och genomgå denna övergång från fast till vätska utan också kontrollera hastigheten med vilken detta sker genom användning av en ligand i en definierad koncentration, " sa Helms.
Vid högre koncentrationer av ligand, sammansättningen av nanokristaller slappnade av snabbare från ett fastnat tillstånd till ett ej fastlåst tillstånd.
Forskare fann också att de kunde manipulera egenskaperna hos vätskedropparna i oljelösningen genom att applicera ett magnetfält - fältet kan deformera droppen genom att dra till sig de järnhaltiga nanokristallerna, till exempel, och ändra spänningen vid ytan av dropparna.
Att hitta nya sätt att kontrollera sådana helvätskesystem kan vara användbart för att interagera med levande system, Helms sa, såsom celler eller bakterier.
"I grunden kan du ha förmågan att kommunicera med dem – flytta dem dit du vill att de ska gå, eller flytta elektroner eller joner till dem, "Sa Russell. "Att kunna komma åt detta genom enkla ingångar är värdet av detta."
Studien är också värdefull för att visa grundläggande kemiska och mekaniska egenskaper hos själva nanokristallerna.
Helms noterade att enkelheten i den senaste studien borde hjälpa andra att lära av och bygga vidare på forskningen. "Vi använde inget komplicerat här. Vårt mål är att visa att vem som helst kan göra detta. Det ger smart insikt om nanokemi vid gränssnitt. Det visar oss också att kemiska system kan designas med skräddarsydda strukturer och egenskaper i tidsdomänen som såväl som i den rumsliga domänen."
Framtida forskning kan fokusera på hur man miniatyriserar vätskestrukturerna för biologiska tillämpningar eller för energitillämpningar i 2D-material, noterade Russell.
"Skönheten i detta arbete är manipulationen av nanoskala element, bara miljarddels tum i storlek, till större konstruktioner som svarar och anpassar sig till sin miljö eller till specifika triggers, " han sa.
