Um esquema de suspensões nanocoloidais moles compreendendo nanopartículas de sílica amarradas de polietilenoglicol macio (PEG) suspensas em oligômeros de PEG. As fotos mostram a variação nas características físicas com o aumento da carga de partículas e a micrografia eletrônica mostra as partículas bem dispersas nessas suspensões.
(Phys.org) - As propriedades incomuns da água, incluindo sua expansão térmica anômala e anomalia de densidade, intrigam pesquisadores há décadas. Essas propriedades são notoriamente difíceis de investigar experimentalmente devido às escalas de comprimento inerentemente pequenas e às complexas interações que parecem governar a física desses materiais. Estudos de pequenas partículas (coloides) dispersas em solventes, conhecidas como suspensões coloidais, usados como modelos para líquidos atômicos e moleculares mostraram que algumas dessas anomalias podem ser projetadas em suspensões coloidais de partículas moles.
Um relatório publicado em Cartas de revisão física descreve a pesquisa realizada no Departamento de Energia dos EUA da Fonte Avançada de Fótons (APS) do Laboratório Nacional de Argonne que elucida os arranjos e a mobilidade de nanopartículas moles em suspensões densas que refletem as anomalias observadas em líquidos complexos como a água. Esta descoberta, que é o primeiro exemplo de observação experimental de tal comportamento em uma suspensão coloidal, permite uma extensão da caixa de ferramentas do físico experimental interessado em empregar suspensões para imitar líquidos moleculares, com a vantagem adicional de escalas de tempo e comprimento prontamente acessíveis.
A equipe de pesquisa, com membros da Cornell University e Argonne, nanopartículas macias sintetizadas ao amarrar densamente pequenos polímeros na superfície das nanopartículas de sílica. Medições de espalhamento de raios-x de pequeno ângulo (SAXS) e espectroscopia de correlação de fótons de raios-X (XPCS) foram realizadas nas linhas de luz 12-ID-B e 8-ID-I da Divisão de Ciência de raios-X no APS para revelar a estrutura de equilíbrio e as características do movimento das partículas, respectivamente.
Verificou-se que os arranjos de partículas se tornam mais desordenados e se movem mais rápido quando mais partículas são adicionadas à suspensão além de uma fração de volume de partícula crítica, coincidindo com um aumento acentuado da resistência do sistema de nanopartículas enxertadas às deformações físicas.
Isso contrasta com a situação usual em que o aumento da concentração de partículas em uma suspensão diluída diminui o espaço disponível para a colocação de novas partículas, aumentando assim a ordenação de partículas e diminuindo sua velocidade.
Evolução do fator de estrutura (S (q)) e tempos de relaxação (τ) com carga de partículas (ϕ) para suspensões de nanopartículas moles. O aparecimento de máximos na altura do primeiro pico de S (q) indica claramente a anomalia estrutural, enquanto os máximos em tempos de relaxamento indicam a anomalia de transporte nas suspensões nanocoloidais moles. Esses resultados foram obtidos a partir de medições SAXS e XPCS, respectivamente.
"Torna-se mais fácil para qualquer partícula nessas suspensões se difundir quando elas estão mais próximas de seus vizinhos; a natureza contraintuitiva dessa situação pode ser ilustrada com a seguinte analogia - é mais fácil correr e marcar um touchdown quando o adversário equipe tem quinze pessoas na defesa, "disse Samanvaya Srivastava, um estudante de graduação sênior na Cornell University e autor principal do artigo Physical Review Letters.
O comportamento anômalo de partículas suspensas na água e outros líquidos complexos há muito que se argumenta que existe para sistemas com repulsão suave, que é caracterizado por uma energia potencial que exibe uma largura finita sobre a qual ocorre a interação das partículas. Essas descobertas empíricas dão suporte a um consenso emergente de estudos de simulação e fornecem um sistema modelo para estudar sistemas com interações repulsivas suaves.
