Les nanocristaux contenus dans une gouttelette liquide injectée dans une solution huileuse (à gauche) sont chimiquement compressés dans un état 2D "bloqué" de type solide (au milieu) - ce qui provoque la formation de rides à la surface de la gouttelette - puis redevient une détente, état liquide (à droite) dans lequel les rides se lissent. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
Une équipe dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie a trouvé un moyen de faire en sorte qu'un état de type liquide se comporte davantage comme un solide, puis inverser le processus.
Ils ont mis une goutte d'un liquide contenant des nanocristaux d'oxyde de fer dans un liquide huileux contenant de minuscules brins de polymère.
Ils ont découvert qu'un additif chimique dans la gouttelette peut rivaliser avec le polymère - comme un petit bras de fer - sur les nanoparticules à l'intersection des liquides.
Ils ont pu provoquer le blocage des nanoparticules assemblées ici, le faisant agir comme un solide, puis se débloquer et revenir à un état de type liquide par l'action push-pull compétitive du polymère et de l'additif.
"La capacité de se déplacer entre ces états bloqués et non bloqués a des implications pour le développement de l'électronique tout liquide, et pour interagir avec les cellules et contrôler les fonctions cellulaires, " a déclaré Tom Russell de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, qui a codirigé l'étude avec Brett Helms, membre du personnel scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. La fonderie moléculaire est une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science spécialisée dans la recherche en nanosciences.
"Nous avons pu observer ces gouttelettes subir ces transformations de phase en temps réel, " dit Helms. " Voir, c'est croire. Nous examinons les propriétés mécaniques d'un liquide 2D et d'un solide 2D. » Les résultats ont été publiés en ligne le 3 août dans Avancées scientifiques .
Ils ont observé ce mouvement entre les deux états simplement en observant les changements de forme de la gouttelette. Les changements fournissent des informations sur la tension à la surface de la gouttelette, comme observer la surface d'un ballon qui se gonfle ou se dégonfle.
Ils ont utilisé un microscope à force atomique, qui fonctionne comme une petite aiguille de tourne-disque pour se déplacer sur la surface de la gouttelette pour mesurer ses propriétés mécaniques.
La dernière étude s'appuie sur des recherches antérieures de Russell et Helms, chercheurs invités, et d'autres dans la division des sciences des matériaux de Berkeley Lab et à la fonderie moléculaire pour sculpter le complexe, structures 3-D tout liquides en injectant des filets d'eau dans de l'huile de silicone.
Un composé chimique connu sous le nom de ligand (rose), qui se fixe à la surface des nanocristaux (vert), est en concurrence avec la liaison des brins de polymère (rouge) dans un processus qui amène les cristaux à se comporter à l'état solide. Les scientifiques ont également démontré que la collection de nanocristaux peut revenir à un état liquide. Le fond bleu représente une goutte de liquide, et le jaune représente une substance huileuse entourant la gouttelette. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
Alors que le changement d'états liquides en états solides implique généralement des changements de température, dans cette dernière étude, les chercheurs ont plutôt introduit un composé chimique connu sous le nom de ligand qui se lie à la surface des nanoparticules de manière précise.
"Nous avons démontré non seulement que nous pouvions prendre ces matériaux 2-D et subir cette transition d'un solide à un liquide, mais également contrôler la vitesse à laquelle cela se produit grâce à l'utilisation d'un ligand à une concentration définie, " dit Helms.
À des concentrations plus élevées de ligand, l'assemblage de nanocristaux s'est détendu plus rapidement d'un état bloqué à un état débloqué.
Les chercheurs ont également découvert qu'ils pouvaient manipuler les propriétés des gouttelettes liquides dans la solution d'huile en appliquant un champ magnétique - le champ peut déformer la gouttelette en attirant les nanocristaux contenant du fer, par exemple, et modifier la tension à la surface des gouttelettes.
Trouver de nouvelles façons de contrôler de tels systèmes entièrement liquides pourrait être utile pour interagir avec les systèmes vivants, Helms a dit, comme des cellules ou des bactéries.
"Essentiellement, vous pourriez avoir la possibilité de communiquer avec eux - déplacez-les où vous voulez qu'ils aillent, ou déplacer des électrons ou des ions vers eux, " a déclaré Russell. " Pouvoir y accéder par de simples entrées est la valeur de cela. "
L'étude est également utile pour montrer les propriétés chimiques et mécaniques fondamentales des nanocristaux eux-mêmes.
Helms a noté que la simplicité de la dernière étude devrait aider les autres à tirer des enseignements de la recherche et à s'appuyer sur celle-ci. "Nous n'avons rien utilisé de compliqué ici. Notre objectif est de montrer que n'importe qui peut le faire. Cela donne un aperçu intelligent de la nanochimie aux interfaces. Cela nous montre également que les systèmes chimiques peuvent être conçus avec des structures et des propriétés sur mesure dans le domaine temporel comme ainsi que dans le domaine spatial."
Les recherches futures pourraient se concentrer sur la façon de miniaturiser les structures liquides pour des applications biologiques ou pour des applications énergétiques dans des matériaux 2D, a noté Russell.
"La beauté de ce travail est la manipulation d'éléments nanométriques, juste des milliardièmes de pouce de taille, dans des constructions plus larges qui répondent et s'adaptent à leur environnement ou à des déclencheurs spécifiques, " il a dit.
