Rendu 3D du bijel de nanoparticules pris au microscope confocal. Crédit :Caili Huang/ORNL et Joe Forth/Berkeley Lab
Un nouveau film en deux dimensions, composé de polymères et de nanoparticules et développé par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory du Department of Energy (Berkeley Lab), peut diriger deux liquides différents sans mélange dans une variété d'architectures exotiques. Cette découverte pourrait conduire à la robotique douce, circuits liquides, fluides à changement de forme, et une foule de nouveaux matériaux qui utilisent doux, plutôt que solide, substances.
L'étude, rapporté aujourd'hui dans le journal Nature Nanotechnologie , présente la plus récente entrée dans une classe de substances connues sous le nom de gels d'émulsion bloqués bicontinus, ou bijels, qui sont prometteurs en tant que liquide malléable pouvant supporter des réactions catalytiques, conductivité électrique, et la conversion d'énergie.
Les bijels sont généralement faits de non miscible, ou sans mélange, liquides. Les personnes qui secouent leur bouteille de vinaigrette avant de verser la vinaigrette sur leur salade connaissent de tels liquides. Dès que les secousses s'arrêtent, les liquides recommencent à se séparer, avec le liquide de densité inférieure - souvent de l'huile - montant vers le haut.
Piégeage, ou brouillage, les particules où ces liquides non miscibles se rencontrent peuvent empêcher les liquides de se séparer complètement, stabiliser la substance dans un bijel. Ce qui rend les bijels remarquables, c'est que, plutôt que de simplement produire les gouttelettes sphériques que nous voyons normalement lorsque nous essayons de mélanger de l'huile et de l'eau, les particules à l'interface façonnent les liquides en réseaux complexes de canaux fluides interconnectés.
Les bijels sont notoirement difficiles à fabriquer, cependant, impliquant des températures exactes à des étapes précisément chronométrées. En outre, les canaux de liquide ont normalement plus de 5 micromètres de diamètre, les rendant trop grandes pour être utiles dans la conversion d'énergie et la catalyse.
« Les bijels présentent depuis longtemps un intérêt en tant que matériaux de nouvelle génération pour les applications énergétiques et la synthèse chimique, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Caili Huang. " Le problème a été d'en faire assez, et avec des caractéristiques de la bonne taille. Dans ce travail, nous résolvons ce problème."
Huang a commencé le travail en tant qu'étudiant diplômé avec Thomas Russell, le chercheur principal de l'étude, à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, et il a poursuivi le projet en tant que chercheur postdoctoral au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE.
Cette illustration montre les étapes clés de la formation du bijel. Dans le sens des aiguilles d'une montre en partant du haut à gauche, deux liquides qui ne se mélangent pas sont affichés. Les ligands (indiqués en jaune) avec des groupes amine sont dispersés dans l'huile ou le solvant, et des nanoparticules recouvertes d'acides carboxyliques (indiquées par des points bleus) sont dispersées dans l'eau. En secouant vigoureusement, les nanoparticules et les ligands forment un « supersavon » qui se retrouve piégé à l'interface des deux liquides. Le panneau inférieur est une vue agrandie du super-savon à nanoparticules coincé. Crédit :Caili Huang/ORNL
Créer une nouvelle recette de bijel
La méthode décrite dans cette nouvelle étude simplifie le processus bijel en utilisant d'abord des particules spécialement revêtues d'environ 10 à 20 nanomètres de diamètre. Les particules de plus petite taille tapissent les interfaces liquides beaucoup plus rapidement que celles utilisées dans les bijels traditionnels, faire des canaux plus petits qui sont très appréciés pour les applications.
"Nous avons essentiellement pris des liquides comme le pétrole et l'eau et leur avons donné une structure, et c'est une structure qui peut être changée, " dit Russell, chercheur invité au Berkeley Lab. "Si les nanoparticules sont sensibles à l'électricité, magnétique, ou des stimuli mécaniques, les bijels peuvent devenir reconfigurables et remodelés à la demande par un champ externe."
Les chercheurs ont pu préparer de nouveaux bijels à partir d'une variété de produits organiques courants, solvants insolubles dans l'eau, comme le toluène, qui contenait des ligands dissous, et de l'eau déminéralisée, qui contenait les nanoparticules. Pour assurer un mélange parfait des liquides, ils ont soumis l'émulsion à un vortex tournant en 3, 200 tours par minute.
"Cette secousse extrême crée tout un tas de nouveaux endroits où ces particules et polymères peuvent se rencontrer, " a déclaré le co-auteur de l'étude Joe Forth, un stagiaire postdoctoral à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. "Vous synthétisez beaucoup de ce matériel, qui est en fait un mince, Revêtement 2-D des surfaces liquides dans le système."
Les liquides sont restés un bijel même après une semaine, signe de la stabilité du système.
Russel, qui est également professeur de science et d'ingénierie des polymères à l'Université du Massachusetts-Amherst, ajouté que ces caractéristiques de changement de forme seraient précieuses dans les microréacteurs, dispositifs microfluidiques, et actionneurs souples.
À gauche se trouve un flacon de bijel stabilisé avec des tensioactifs nanoparticulaires. A droite se trouve la même fiole après une semaine d'inversion, montrant que la nanoparticule empêchait les liquides de bouger. Crédit :Caili Huang/ORNL
Supersavon à nanoparticules
Les nanoparticules n'avaient pas été sérieusement envisagées dans les bijels auparavant car leur petite taille les rendait difficiles à piéger dans l'interface liquide. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont recouvert des particules de taille nanométrique avec des acides carboxyliques et les ont mis dans l'eau. They then took polymers with an added amine group - a derivative of ammonia - and dissolved them in the toluene.
This configuration took advantage of the amine group's affinity to water, a characteristic that is comparable to surfactants, like soap. Their nanoparticle "supersoap" was designed so that the nanoparticles join ligands, forming an octopus-like shape with a polar head and nonpolar legs that get jammed at the interface, les chercheurs ont dit.
"Bijels are really a new material, and also excitingly weird in that they are kinetically arrested in these unusual configurations, " said study co-author Brett Helms, membre du personnel scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. "The discovery that you can make these bijels with simple ingredients is a surprise. We all have access to oils and water and nanocrystals, allowing broad tunability in bijel properties. This platform also allows us to experiment with new ways to control their shape and function since they are both responsive and reconfigurable."
The nanoparticles were made of silica, but the researchers noted that in previous studies they used graphene and carbon nanotubes to form nanoparticle surfactants.
"The key is that the nanoparticles can be made of many materials, " said Russell. "The most important thing is what's on the surface."
