(Phys.org) -- Des chercheurs du NIST Center for Nanoscale Science and Technology ont utilisé le suivi tridimensionnel d'une seule particule pour mesurer le comportement dynamique de nanoparticules individuelles adsorbées à la surface de gouttelettes d'huile à l'échelle micrométrique dans l'eau.
Les résultats ont révélé que la diffusion des particules dépend de leur taille, avec des particules plus petites diffusant beaucoup plus lentement que prévu. Une compréhension détaillée de la façon dont les nanoparticules colloïdales interagissent avec les interfaces est essentielle pour les concevoir pour des applications spécifiques dans des domaines allant de l'administration de médicaments à l'exploration et à la récupération de pétrole. Les chercheurs ont développé un système de contrôle de rétroaction avec une électronique de contrôle en temps réel pour actionner un étage piézoélectrique, déplacer l'échantillon afin de verrouiller la nanoparticule en mouvement dans le volume d'observation d'un microscope optique.
La technique, qui se déclenche à partir de photons collectés in situ à partir d'une nanoparticule fluorescente individuelle, fournit des informations de position tridimensionnelles haute résolution avec une excellente résolution temporelle et avec l'avantage supplémentaire de la sensibilité à l'activité chimique. Des particules d'une taille allant de 20 nm à 2000 nm ont été suivies en temps réel alors qu'elles diffusaient librement dans l'eau et sur les surfaces courbes de gouttelettes d'huile de différentes tailles. Comme prévu, les coefficients de diffusion mis à l'échelle avec la taille des particules pour les particules à diffusion libre. Cependant, il y avait une diminution significative et inattendue des coefficients de diffusion pour les plus petits ( <200 nm) de nanoparticules lorsqu'elles diffusent à l'interface huile-eau.
Par ailleurs, pour une granulométrie donnée, les chercheurs ont observé un étalement important des coefficients de diffusion mesurés à l'interface, alors qu'aucun effet de ce type n'a été observé pour les particules à diffusion libre. Afin de mieux ajuster les mesures, le modèle de base qui fonctionne bien pour les particules plus grosses diffusant à une interface fluide-fluide devait être modifié pour tenir compte de la tension linéaire (l'analogue unidimensionnel de la tension superficielle) à l'interface entre les nanoparticules plus petites, l'huile, et l'eau.
Les chercheurs pensent que la variabilité des coefficients de diffusion des particules adsorbées à l'interface est très probablement le reflet de variations subtiles de la chimie de surface des particules, suggérant que les mesures de diffusion peuvent fournir une nouvelle façon de comparer les chimies de surface des particules. Alors que suivre la dynamique des particules isolées fournit de nombreuses informations utiles sur leur comportement, les systèmes naturels et artificiels typiques sont généralement beaucoup plus complexes, avec des fluides hétérogènes, environnements surpeuplés, et de fortes interactions particule-particule.
Les chercheurs pensent qu'en utilisant le temps réel, suivi de particules en trois dimensions pour observer intentionnellement inséré, les particules de traceur uniques peuvent fournir un outil idéal pour sonder des systèmes fluides complexes, comme l'intérieur des cellules, ou des mélanges huile/eau piégés à l'intérieur de la roche poreuse.
