Les chercheurs ont créé un liquide 2-D constitué de nanoparticules à l'interface entre une goutte d'huile et l'eau environnante.
Là où l'eau et l'huile se rencontrent, un monde à deux dimensions existe. Cette interface présente un ensemble de propriétés potentiellement utiles pour les chimistes et les ingénieurs, mais obtenir quelque chose de plus complexe qu'une molécule de savon pour y rester et se comporter de manière prévisible reste un défi.
Une équipe de l'Université de Pennsylvanie a maintenant montré comment fabriquer des nanoparticules qui sont attirées par cette interface mais pas les unes par les autres, créant un système qui agit comme un liquide bidimensionnel. En mesurant la pression et la densité de ce liquide, ils ont montré une voie à suivre en l'utilisant pour une variété d'applications, comme dans la nanofabrication, catalyse et dispositifs photoniques.
En créant un système où ces particules ne s'agglutinent pas en grappes ou en peaux, ils ont permis d'étudier les principes physiques fondamentaux de la façon dont les objets nanométriques interagissent les uns avec les autres en deux dimensions.
Le travail a été mené par la chercheuse postdoctorale Valeria Garbin, l'étudiant diplômé Ian Jenkins et les professeurs Talid Sinno, John Crocker et Kathleen Stebe, tous du département de génie chimique et biomoléculaire de la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de Penn.
Il a été publié en Lettres d'examen physique .
"Les choses se bloquent à l'interface entre le pétrole et l'eau, " a déclaré Stebe. " C'est d'un intérêt fondamental et technologique énorme, parce que nous pouvons considérer cette interface comme un monde à deux dimensions. Si nous pouvons commencer à comprendre les interactions des choses qui s'y accumulent et apprendre comment elles sont arrangées, nous pouvons les exploiter dans un certain nombre d'applications différentes."
Obtenir des nanoparticules pour aller et rester à cette interface est délicat, toutefois. Leur chimie de surface s'adapte facilement à l'eau ou à l'huile, mais équilibrer les deux pour que les particules restent dans ce régime 2-D est plus difficile.
"Nous comprenons le fonctionnement des particules en 3-D, " a déclaré Crocker. " Si vous mettez des chaînes de polymère sur la surface qui sont attirées par le solvant, les particules vont rebondir les unes sur les autres et former une belle suspension, ce qui signifie que vous pouvez travailler avec eux. Cependant, les gens n'ont pas vraiment fait ça en 2-D auparavant. »
Les pare-chocs des ligands des nanoparticules les empêchent de coller ensemble tout en restant à l'interface huile-eau.
Même lorsque les particules peuvent rester à l'interface, ils ont tendance à s'agglomérer et à former une peau qui ne peut pas être séparée en ses particules constitutives.
"Toutes les particules s'aiment, " dit Stebe. " Juste à cause des interactions avec Van der Waals, s'ils peuvent s'approcher suffisamment, ils s'agrègent. Mais parce que nos nanoparticules ont des bras de ligand protecteurs, ils ne s'agglutinent pas et forment un état liquide. Ils sont en équilibre bidimensionnel."
La technique de l'équipe pour surmonter ce problème reposait sur la décoration de leurs nanoparticules d'or avec un tensioactif, ou comme du savon, ligands. Ces ligands ont une tête qui aime l'eau et une queue qui aime l'huile, et la façon dont ils sont attachés à la particule centrale leur permet de se contorsionner afin que les deux côtés soient heureux lorsque la particule est à une interface. Cet arrangement produit une forme de "soucoupe volante", avec les ligands s'étendant plus à l'interface qu'au-dessus ou au-dessous. Ces pare-chocs de ligand empêchent les particules de s'agglutiner.
"C'est un très beau système, " a déclaré Stebe. " La capacité d'ajuster leur emballage signifie que nous pouvons maintenant prendre tout ce que nous savons sur la thermodynamique d'équilibre en deux dimensions et commencer à poser des questions sur les couches de particules. Ces particules se comportent-elles comme nous le pensons ? Comment pouvons-nous les manipuler à l'avenir ?"
Pour en savoir plus sur les fondamentaux de ce système, les chercheurs avaient besoin de déduire les relations de certaines propriétés, comme la façon dont la pression de leur liquide 2-D change en fonction du tassement des particules. Ils ont utilisé une variante de la méthode de la goutte pendante, dans laquelle une gouttelette d'huile se forme dans une suspension de particules dans l'eau. Heures supplémentaires, particules fixées à l'interface huile-eau, produire le liquide 2-D sous une forme où ils pourraient mesurer ces traits.
"Nous pouvons déduire la pression de ce fluide 2-D par la forme de la goutte, " a déclaré Stebe. " Une fois que nous avons compressé la goutte en tirant une partie de l'huile dans la seringue, nous pouvons déterminer comment la forme change et la relier à la pression dans la couche."
Les chercheurs devaient également déterminer la densité des particules. Faire cela, ils voulaient profiter du fait que la goutte devenait plus opaque à mesure que la densité de la particule augmentait lorsque la goutte était comprimée. Cependant, il n'était pas possible de mesurer simplement la quantité de lumière qui brillait à travers la goutte, car le comportement plasmonique signifiait que les propriétés des nanoparticules d'or changeaient à mesure qu'elles se rapprochaient.
"Heureusement, nous avons découvert une autre caractéristique intéressante de ce système de nanoparticules, " dit Garbin. " Si la goutte était trop compressée, certaines particules tomberaient de l'interface parce qu'elles ne rentraient plus. Cela nous a permis de mesurer la quantité de particules qui se trouvaient dans ce panache tombant, car les particules y sont plus éloignées les unes des autres. A partir de cette mesure, nous pourrions travailler à rebours jusqu'au nombre de particules sur l'interface"
La relation harmonieuse entre le tassement des particules et la pression du liquide 2D qu'elles forment constitue la base des règles universelles qui régissent la physique de tels systèmes.
« À partir de ces données, " Crocker a dit, « nous pouvons déterminer la force en fonction de la distance de deux nanoparticules. Cela signifie que nous pouvons maintenant créer un modèle de la façon dont ces particules se comportent dans le liquide 2-D. »
Disposer de ces règles permettra aux chercheurs de développer des nanoparticules fonctionnelles avec différents traits, tels que des ligands plus longs et plus complexes qui effectuent une tâche chimique.
"Une application est la catalyse d'interface, " dit Stebe. " Par exemple, si vous avez un réactif en phase huileuse, mais son produit est en phase aqueuse, avoir une particule sur l'interface qui peut aider à la déplacer de l'un à l'autre serait parfait."
Une meilleure compréhension de quand et pourquoi les particules sont piégées dans les interfaces liquide-liquide pourrait également étayer les travaux futurs.
