Reduzir a investigação de objetos à escala nanométrica freqüentemente revela novas propriedades da matéria que não têm equivalente para sua análise em massa. Este fenômeno está motivando muitos estudos atuais de nanomateriais que podem revelar novos fenômenos fascinantes.

Ele inspirou um grupo de pesquisadores do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS) a explorar a extensão do nosso conhecimento sobre as propriedades fundamentais dos fluidos, que exige reconsideração com o uso crescente de fluidos nos tamanhos decrescentes de novos dispositivos, onde seu fluxo é confinado em tubos capilares cada vez menores.

Conforme o grupo relata em The Journal of Chemical Physics eles descobriram um estado peculiar de miscível, ou misturável, fluidos contidos em nanocanais.

Este estado peculiar "corresponde a um bem ordenado, arranjo concêntrico de duas regiões de líquido coexistentes de composição diferente, "disse Denis Morineau, diretor de pesquisa do CNRS, em Rennes. "Uma região forma uma concha em torno de um segundo núcleo líquido, ambos têm uma espessura radial de apenas um a quatro tamanhos moleculares.

"[O fenômeno] é conhecido como 'separação microfase' porque não implica que os constituintes das duas regiões líquidas irão de fato se separar de fase, "ele disse." Eles realmente formam uma fase líquida homogênea única durante condições normais. Na verdade, esta tendência oculta dos fluidos binários de formar estruturas ordenadas supramoleculares espontâneas é revelada apenas na escala microscópica. "

Na escola primária, muitos alunos experimentam gotas de tinta de, dizer, uma caneta-tinteiro para observar sua dispersão em um copo d'água. Eventualmente, a gotícula se dispersa totalmente e a combinação miscível leva à formação de um homogêneo, solução azul-clara.

"Isso mostra que dois líquidos são totalmente miscíveis e sua mistura binária forma uma única fase líquida em equilíbrio termodinâmico, "disse Morineau." Agora, combinando diferentes pares de solventes simples, mostramos que essa propriedade inerente de líquidos binários totalmente miscíveis é invalidada quando o tamanho do contêiner é reduzido. "

Efetivamente, eles mediram diretamente quão pequeno é muito pequeno para uma amostra de dois líquidos miscíveis ser considerada uma solução combinada.

Este fenômeno foi observado pela primeira vez durante um experimento de espalhamento de nêutrons realizado no French Neutron National Source Orphée no Laboratório Léon Brillouin (LLB). O estudo foi desenvolvido no LLB em colaboração com o Fundo Europeu de Grande Escala (Instituto Laue-Langevin).

"Nêutrons dispersos revelam onde os átomos estão na amostra com uma resolução espacial que atinge a escala nanométrica, "Morineau disse." O método único é sensível à natureza isotópica do átomo. Ao contrário dos raios X, eles fornecem uma distinção clara entre hidrogênio e (o isótopo de hidrogênio) deutério. "

O grupo aplicou este método para estudar a estrutura de solventes simples, como hidrocarbonetos e álcoois, impregnado em sintético, sólidos porosos em vidro de sílica. O vidro apresentava um arranjo semelhante a um favo de mel de paralelo, canais cilíndricos de oito nanômetros de largura. O material poroso serviu como uma coleção de tubos de ensaio do tamanho de nanômetros.

O grupo de Morineau misturou moléculas do mesmo líquido, mas diferindo no número total de nêutrons da troca de átomos de hidrogênio com seu isótopo mais pesado, deutério. Com as proporções certas, a mistura pode ser ajustada para espalhar nêutrons combinando com o espalhamento dos tubos de vidro, tornando os dois indistinguíveis.

"Usamos esse truque pela primeira vez para preparar e confinar líquidos que têm a mesma interação com nêutrons que os nanocapilares de vidro de sílica. Sob essa condição de combinação de contraste, o nêutron é cego para o líquido e a intensidade dispersa medida é cancelada, "Morineau disse." [Com tinta, isso] corresponderia à situação em que a solução com tinta e o recipiente de vidro têm exatamente a mesma cor, tornando-os indistinguíveis. "

O grupo teve uma observação surpreendente para alguns líquidos binários confidenciais, onde eles esperavam comportamento de combinação de nêutrons, mas o sinal estava mais alto do que nunca.

"Esta foi a primeira prova direta de que o paradigma da composição homogênea em uma mistura totalmente miscível deve quebrar dentro dos nanocanais, "disse Morineau.

Para aplicabilidade real, o grupo estendeu uma série de experimentos cuidadosamente planejados para estabelecer métodos de rotular os componentes de líquidos binários.

"Combinado com o desenvolvimento de um modelo computacional, mostra excelente concordância com nossos experimentos atuais, "Morineau disse." Nós fornecemos um método útil para avaliar as estruturas originais de fluidos embebidos em ambientes em escala nanométrica. "

Manipular líquidos em poros nanoestruturados é uma atividade comum a muitos processos de química e ciência de materiais, mas também desempenha um papel significativo em ambientes biológicos onde os pesquisadores esperam que seu trabalho tenha ampla aplicabilidade.

"Nosso estudo sugere que a separação microfase, como um novo tipo de nanoestrutura, resultados dos efeitos concomitantes de interações de superfície específicas e confinamento espacial, "disse Morineau." Portanto, estamos entusiasmados com a oportunidade que a modulação de ambos os elementos oferece para promover um novo controle na montagem supermolecular de misturas complexas. "

Eles planejam investigar melhor a dinâmica, propriedades fora de equilíbrio e fluxo de fluido dentro de tais sistemas. "Estes são fundamentalmente de interesse, bem como para o desenvolvimento de dispositivos nanofluídicos, ", disse ele." Estamos agora colaborando com dois grupos de pesquisa de Hamburgo para explorar essas diferentes perspectivas. "