Janus-stavar med samma ytegenskaper förutom beläggningens geometri avbildas. Partiklarna antar helt olika orienteringar, vilket innebär att de också antar olika mekaniska egenskaper för det övergripande gränssnittet. Kredit:Giovanniantonio Natale
Uppkallad efter en romersk gud, Janus-partiklar hänvisar till nanopartiklar som har ytor med två eller flera distinkta fysikalisk-kemiska egenskaper.
De speciella nanopartiklarna introducerades för det vetenskapliga samfundet av 1991 års Nobelpristagare Pierre-Gilles de Gennes, som påpekade att "föremål med två sidor av olika vätbarhet har den unika fördelen att tätt självmontera vid vätske-vätskegränssnitt", och följaktligen. , genererar nya kolloidala strukturer.
Den resulterande kemiska asymmetrin ledde till upptäckten av nya och ovanliga molekylära egenskaper, vilket gör Janus-partiklar relevanta för ett brett spektrum av tillämpningar, från biomedicin till vattenavvisande textilier till tillverkning av membran med avstämbara egenskaper.
I Physics of Fluids , forskare från University of Calgary i Alberta, Kanada, använder simuleringar av dissipativ partikeldynamik (DPD) för att undersöka translationsdiffusionen av Janus-nanopartiklar vid gränsytan mellan två oblandbara vätskor, oförmögna att blandas eller uppnå homogenitet.
Med fokus på ett kluster av sfäriska partiklar som används för att skapa en styv kropp av Janus-stavar, belyser simuleringarna nanopartiklarnas dynamiska beteende, med varierande ytbeläggningar och storlekar, vid ett vatten-olja-gränssnitt. Verket avslöjar ett starkt inflytande av deras form på deras orientering vid gränssnittet såväl som på deras rörlighet.
"Som ett resultat ändrar dessa olika individuella svar gränssnittsspänningen i hela systemet, vilket påverkar reologin och därmed bearbetningsscheman", säger medförfattaren Giovanniantonio Natale.
Natale och hans kollegor beskriver en "lutande och tumlande" effekt på grund av närvaron av lokala energiminima vid gränssnittet, en effekt som varierar med Janus-stavarnas bildförhållande och yttäckningen av deras beläggningar.
Gränsytans spänning har visat sig minska med ökat bildförhållande när partiklarna skiftar från en upprätt position till en lutad orientering. Spänningen minskar när beläggningarna är horisontella snarare än vertikala, eftersom partiklarna är mer stabiliserade i sin orientering.
I teorin antyder dessa fynd att de geometriska egenskaperna hos Janus-partiklar kan modifieras utan att deras ytkemi förändras för att producera antingen stabila eller instabila emulsioner.
Sammantaget ger arbetet betydande och grundläggande insikter i dynamiken och självsammansättningen av anisotropa Brownska partiklar vid gränssnitt, vilket kan bättre informera design och tillverkning av tekniska gränssnitt.
"Dessutom kan vi använda våra DPD-simuleringar för att optimera system i nanoskala, där det ofta är extremt utmanande och tidskrävande att utföra och karakterisera experiment", säger Natale. + Utforska vidare
