Un schéma de suspensions nanocolloïdales molles comprenant des nanoparticules de silice captives de polyéthylène glycol (PEG) molles en suspension dans des oligomères de PEG. Les images montrent la variation des caractéristiques physiques avec l'augmentation de la charge de particules et la micrographie électronique montre les particules bien dispersées dans ces suspensions.
(Phys.org) —Les propriétés inhabituelles de l'eau, y compris son anomalie de dilatation thermique et de densité, intriguent les chercheurs depuis des décennies. Ces propriétés sont notoirement difficiles à étudier expérimentalement en raison des échelles de longueur intrinsèquement petites et des interactions complexes qui semblent régir la physique de ces matériaux. Etudes de petites particules (colloïdes) dispersées dans des solvants, appelées suspensions colloïdales, utilisés comme modèles pour les liquides atomiques et moléculaires ont montré que certaines de ces anomalies peuvent être conçues dans des suspensions colloïdales de particules molles.
Un rapport publié dans Lettres d'examen physique décrit les recherches menées à l'Advanced Photon Source (APS) du Département de l'énergie des États-Unis, au Laboratoire national d'Argonne, qui élucide les dispositions et la mobilité des nanoparticules molles dans des suspensions denses qui reflètent les anomalies observées dans des liquides complexes comme l'eau. Cette découverte, qui est le premier exemple d'observation expérimentale d'un tel comportement dans une suspension colloïdale, permet une extension de la boîte à outils du physicien expérimental intéressé par l'utilisation de suspensions pour imiter les liquides moléculaires, avec l'avantage supplémentaire d'avoir des échelles de longueur et de temps facilement accessibles.
L'équipe de recherche, avec des membres de Cornell University et d'Argonne, synthétisé des nanoparticules molles en attachant de manière dense de petits polymères à la surface des nanoparticules de silice. Des mesures de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et de spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X (XPCS) ont été effectuées sur les lignes de lumière 12-ID-B et 8-ID-I de la Division des sciences des rayons X à l'APS pour révéler la structure d'équilibre et les caractéristiques du mouvement des particules, respectivement.
Il a été constaté que les arrangements de particules deviennent plus désordonnés et se déplacent plus rapidement lorsque plus de particules sont ajoutées dans la suspension au-delà d'une fraction volumique de particules critique, coïncidant avec une forte augmentation de la résistance du système de nanoparticules greffées aux déformations physiques.
Ceci contraste avec la situation habituelle où l'augmentation de la concentration de particules dans une suspension diluée diminue l'espace disponible pour placer de nouvelles particules, augmentant ainsi l'ordre des particules et les ralentissant.
Evolution du facteur de structure (S(q)) et des temps de relaxation (τ) avec le chargement de particules (ϕ) pour des suspensions de nanoparticules molles. L'apparition de maxima dans la hauteur du premier pic de S(q) indique clairement l'anomalie structurelle, tandis que les maxima des temps de relaxation indiquent l'anomalie de transport dans les suspensions nanocolloïdales molles. Ces résultats ont été obtenus à partir des mesures SAXS et XPCS, respectivement.
« Il devient plus facile pour n'importe quelle particule de ces suspensions de se diffuser lorsqu'elles sont davantage entourées par leurs voisins ; la nature contre-intuitive de cette situation peut être illustrée par l'analogie suivante :il est plus facile de faire une course et de marquer un touché lorsque l'adversaire équipe a quinze personnes en défense, " a déclaré Samanvaya Srivastava, un étudiant de troisième cycle à l'Université Cornell et auteur principal de l'article Physical Review Letters.
Le comportement anormal des particules en suspension dans l'eau et d'autres liquides complexes a longtemps été avancé pour les systèmes à répulsion douce, qui est caractérisé par une énergie potentielle qui présente une largeur finie sur laquelle l'interaction des particules se produit. Ces découvertes empiriques soutiennent un consensus émergeant des études de simulation et fournissent un système modèle pour étudier les systèmes avec des interactions répulsives douces.
