Imaginez si vous pouviez boire un verre d'eau simplement en y insérant un fil solide et en le suçant comme s'il s'agissait d'une paille de soda. Il s'avère que si vous étiez assez petit, cette méthode fonctionnerait très bien et ne nécessiterait même pas l'aspiration pour démarrer.

De nouvelles recherches menées au MIT et ailleurs ont démontré pour la première fois que lorsqu'il est inséré dans une piscine de liquide, les nanofils, des fils qui ne mesurent que des centaines de nanomètres (milliards de mètre) de diamètre, attirent naturellement le liquide vers le haut dans un film mince qui recouvre la surface du fil. La découverte pourrait avoir des applications dans les dispositifs microfluidiques, la recherche biomédicale et les imprimantes à jet d'encre.

Le phénomène avait été prédit par les théoriciens, mais jamais observé car le processus est trop petit pour être vu par des microscopes optiques; les microscopes électroniques doivent fonctionner dans le vide, ce qui provoquerait l'évaporation presque instantanée de la plupart des liquides. Pour surmonter cela, l'équipe du MIT a utilisé un liquide ionique appelé DMPI-TFSI, qui reste stable même dans un vide puissant. Bien que les observations aient utilisé ce liquide spécifique, les résultats sont censés s'appliquer à la plupart des liquides, y compris l'eau.

Les résultats sont publiés dans la revue Nature Nanotechnologie par une équipe de chercheurs dirigée par Ju Li, professeur au MIT en sciences et ingénierie nucléaires et en science et ingénierie des matériaux, avec des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia au Nouveau-Mexique, l'Université de Pennsylvanie, l'Université de Pittsburgh, et l'Université du Zhejiang en Chine.

Alors que Li dit que cette recherche visait à explorer la science fondamentale des interactions liquide-solide, cela pourrait conduire à des applications dans l'impression jet d'encre, ou pour faire un laboratoire sur une puce. « Nous examinons vraiment l'écoulement des fluides à une échelle de petite longueur sans précédent, " dit Li, de nouveaux phénomènes inattendus pourraient émerger au fur et à mesure que la recherche se poursuit.

A l'échelle moléculaire, Li dit, "le liquide essaie de couvrir la surface solide, et il est aspiré par capillarité." Aux plus petites échelles, lorsque le liquide forme un film de moins de 10 nanomètres d'épaisseur, il se déplace comme une couche lisse (appelée "film précurseur"); au fur et à mesure que le film s'épaissit, une instabilité (appelée instabilité de Rayleigh) s'installe, provoquant la formation de gouttelettes, mais les gouttelettes restent connectées via le film précurseur. Dans certains cas, ces gouttelettes continuent de remonter le nanofil, tandis que dans d'autres cas, les gouttelettes semblent stationnaires alors même que le liquide qu'elles contiennent s'écoule vers le haut.

La différence entre le film précurseur lisse et les billes, Li dit, est-ce que dans le film plus mince, chaque molécule de liquide est suffisamment proche pour interagir directement, par des effets quantiques, avec les molécules du solide enfouies en dessous; cette force supprime l'instabilité de Rayleigh qui provoquerait autrement des perles. Mais avec ou sans perles, l'écoulement ascendant du liquide, défiant l'attraction de la gravité, est un processus continu qui pourrait être exploité pour le transport de liquides à petite échelle.

Bien que cette traction vers le haut soit toujours présente avec des fils à cette échelle minuscule, l'effet peut être encore amélioré de diverses manières :l'ajout d'une tension électrique sur le fil augmente la force, de même qu'un léger changement dans le profil du fil de sorte qu'il se rétrécit vers une extrémité. Les chercheurs ont utilisé des nanofils faits de différents matériaux :silicium, oxyde de zinc et oxyde d'étain, ainsi que du graphène bidimensionnel - pour démontrer que ce processus s'applique à de nombreux matériaux différents.

Les nanofils font moins d'un dixième du diamètre des dispositifs fluidiques actuellement utilisés dans la recherche biologique et médicale, comme les micropipettes, et un millième du diamètre des aiguilles hypodermiques. A ces petites échelles, les chercheurs ont trouvé, un nanofil solide est tout aussi efficace pour retenir et transférer des liquides qu'un tube creux. Cette plus petite échelle pourrait ouvrir la voie à de nouveaux types de systèmes microélectromécaniques pour mener des recherches sur les matériaux au niveau moléculaire.

La méthodologie que les chercheurs ont développée leur permet d'étudier les interactions entre les solides et les flux liquides "à presque la plus petite échelle que vous puissiez définir un volume de fluide, qui est de 5 à 10 nanomètres de diamètre, " dit Li. L'équipe prévoit maintenant d'examiner le comportement de différents liquides, utiliser un "sandwich" de membranes solides transparentes pour enfermer un liquide, comme l'eau, pour examen au microscope électronique à transmission. Cela permettra « des études plus systématiques des interactions solide-liquide, " dit Li :les interactions qui sont pertinentes pour la corrosion, l'électrodéposition et le fonctionnement des batteries.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.