Experiment med toppmoderna spridningsinstrument avslöjar en frånvaro av specifika mönster i de röntgenstrålar som sprids av nanokompositmaterial. Med hjälp av avancerade simuleringstekniker tyder en ny studie på att attraktiva interaktioner mellan nanopartiklar med olika former och storlekar med största sannolikhet är orsaken till detta beteende.
Småvinkelspridning av röntgenstrålar och neutroner är ett användbart verktyg för att studera molekylära och nanopartikelstrukturer. Hittills har dock experiment avslöjat en överraskande brist på nanopartikelstruktur i vissa nanokompositmaterial – vars molekylära skelett är förstärkta med nanopartiklar som tidigare behandlats med polymeradsorption.
I ett nytt tillvägagångssätt som beskrivs i EPJ E , Anne-Caroline Genix och Julian Oberdisse vid universitetet i Montpellier, Frankrike, visar att dessa mönster endast kan produceras genom attraktiva interaktioner mellan nanopartiklar med en mångfald av former och storlekar.
Duons resultat lyfter fram den snabbt förbättrade förmågan hos instrument för spridning av små vinklar och kan också hjälpa forskare att förbättra sina tekniker för att studera nanokompositer – med tillämpningar inom områden inklusive miniatyriserad elektronik, biologisk vävnadsteknik och starka, lätta material för flygplan.
När strålar av röntgenstrålar eller neutroner interagerar med atomer i materialprover, får den resulterande överföringen av momentum att de sprids i karakteristiska mönster, som varierar beroende på provets molekylstruktur. Under de senaste åren har instrumenten för att mäta denna spridning snabbt förbättrats, vilket ger snabbare datainsamling, såväl som mer exakta och omfattande mätningar av förändringarna i partiklarnas hastigheter och riktningar.
I sin senaste forskning har Genix och Oberdisse använt tekniken för att studera strukturerna hos koncentrerade, polymerbaserade nanokompositer. Det är välkänt att vid höga nanopartikelkoncentrationer modifierar interaktioner mellan partiklarna spridningsmönstret.
Ändå överraskande i sina experiment fann duon att detta inte verkade hända:istället verkade röntgenspridningsmönstren de observerade indikera individuella nanopartiklar. För att förklara detta resultat utförde forskarna numeriska simuleringar för att relatera positionerna för nanopartiklar i rymden till de spridningsmönster de observerade.
De upptäckte att för höga nanopartikelkoncentrationer producerar attraktiva interaktioner mellan nanopartiklar med en mångfald av former och storlekar ett nästan "strukturlöst" tillstånd i nanokompositen - vilket förklarar bristen på specifika egenskaper i deras observationer. Denna upptäckt ger viktiga insikter om nanokompositernas molekylära egenskaper och hur de kan konstrueras för att optimera deras unika egenskaper.
Mer information: Anne-Caroline Genix et al, Om frånvaron av strukturfaktorer i koncentrerade kolloidala suspensioner och nanokompositer, The European Physical Journal E (2023). DOI:10.1140/epje/s10189-023-00306-6
Journalinformation: European Physical Journal E
Tillhandahålls av Springer
