Olja och vatten får inte blandas, men att lägga till de rätta nanopartiklarna i receptet kan omvandla dessa två oblandbara vätskor till en exotisk gel med användningsområden från batterier till vattenfilter till färgskiftande smarta fönster. Ett nytt tillvägagångssätt för att skapa denna ovanliga klass av mjuka material skulle kunna föra dem ut från laboratoriet och in på marknaden.

Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Delaware har funnit vad som verkar vara ett bättre sätt att skapa dessa geler, som har varit ett område med intensivt forskningsfokus i mer än ett decennium. En del av deras potentiellt breda användbarhet är den komplexa uppsättningen av sammankopplade mikroskopiska kanaler som bildas inom dem, skapa en svampliknande struktur. Dessa kanaler erbjuder inte bara passager för andra material att färdas genom, gör dem användbara för filtrering, men också ge gelén en stor mängd inre yta, en egenskap som är värdefull för att påskynda kemiska reaktioner eller som byggnadsställningar på vilken levande vävnad kan växa.

Även om dessa och andra fördelar får det att låta som att gelinnovatörer har slagit olja, deras skapelser har ännu inte blandat sig väl med marknaden. Gelerna är vanligtvis bildade av två flytande lösningsmedel blandade med varandra. Som med olja och vatten, dessa lösningsmedel blandas inte bra, men för att hindra dem från att helt separera, forskare lägger till specialdesignade nanopartiklar som kan stanna i gränssnittet mellan dem. Genom att försiktigt tillaga dessa ingredienser kan en sammanhängande gel bildas. Dock, processen är krävande eftersom det har varit svårt att skräddarsy nanopartiklar för varje applikation, och bildandet av gelerna har krävt noggrant kontrollerad snabb temperaturförändring. Dessa begränsningar har gjort det svårt att skapa denna typ av gel i mer än små mängder som är lämpliga för laboratorieexperiment snarare än i industriell skala.

Som beskrivs i en ny Naturkommunikation papper, NIST/Delaware-teamet har hittat sätt att kringgå många av dessa problem. Dess nya tillvägagångssätt bildar vad forskarna refererar till som en "SeedGel, " en förkortning för "solvent segregation driven gel." Istället för att designa nanopartiklar för att stanna kvar i gränsytan mellan de två lösningsmedlen, deras valda partiklar koncentreras inom en av dem. Även om dessa partiklar tenderar att stöta bort varandra, partiklarnas affinitet mot ett av lösningsmedlen är starkare och håller ihop dem i kanalen. Använda neutronspridningsverktyg vid NIST Center for Neutron Research (NCNR), teamet bevisade otvetydigt att de hade lyckats koncentrera nanopartiklarna där de ville.

Den resulterande gelén kan vara mycket lättare att skapa, eftersom dess två lösningsmedel huvudsakligen är olja och vatten, och dess nanopartiklar är kiseldioxid - i huvudsak små sfärer av vanlig kvarts. Det kan också ha en mängd olika industriella användningsområden.

"Vår SeedGel har stor mekanisk styrka, det är mycket lättare att göra, och processen är skalbar till vad tillverkarna skulle behöva, sa Yun Liu, som är både en NCNR-forskare och en associerad professor vid University of Delaware. "Dessutom är den termo-vändbar."

Denna reversibilitet hänvisar till en optisk egenskap som den färdiga SeedGel besitter:Den kan växla från transparent till ogenomskinlig och tillbaka igen, bara genom att ändra dess temperatur. Denna egenskap skulle kunna utnyttjas i smarta fönster som lägger ett tunt lager av gelen mellan två glasrutor.

"Denna optiska egenskap kan göra SeedGel användbar även i andra ljuskänsliga applikationer, sa Yuyin Xi, en forskare från University of Delaware som också arbetar vid NCNR. "De kan vara användbara i sensorer."

Eftersom teamets tillvägagångssätt för att skapa gel kan användas med andra kombinationer av lösningsmedel och nanopartiklar, det kan bli användbart i filter för vattenrening och eventuellt andra filtreringsprocesser beroende på vilken typ av nanopartiklar som används.

Liu sa också att tillvägagångssättet för skapande gör det möjligt att justera storleken på kanalerna i gelén genom att ändra hastigheten med vilken temperaturen ändras under bildningsprocessen, erbjuder applikationsdesigner en annan grad av frihet att utforska.

"Vårt är ett generiskt tillvägagångssätt som fungerar för många olika nanopartiklar och lösningsmedel, " sade han. "Det utökar användningen av den här sortens geler avsevärt."

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.