p Onde a água e o óleo se encontram, existe um mundo bidimensional. Esta interface apresenta um conjunto de propriedades potencialmente úteis para químicos e engenheiros, mas fazer com que algo mais complexo do que uma molécula de sabão permaneça lá e se comporte de maneira previsível continua sendo um desafio. p Uma equipe da Universidade da Pensilvânia agora mostrou como fazer nanopartículas que são atraídas por esta interface, mas não entre si, criando um sistema que atua como um líquido bidimensional. Medindo a pressão e a densidade deste líquido, eles mostraram uma maneira de usá-lo para uma variedade de aplicações, como na nanofabricação, catálise e dispositivos fotônicos.

p Ao criar um sistema onde essas partículas não se aglomeram em aglomerados ou películas, eles possibilitaram uma maneira de investigar os fundamentos físicos de como os objetos em nanoescala interagem uns com os outros em duas dimensões.

p O trabalho foi conduzido pela pesquisadora de pós-doutorado Valeria Garbin, o estudante de graduação Ian Jenkins e os professores Talid Sinno, John Crocker e Kathleen Stebe, todos do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn.

p Foi publicado em Cartas de revisão física .

p "As coisas ficam presas na interface entre o óleo e a água, "Stebe disse." Isso é de um tremendo interesse fundamental e tecnológico, porque podemos pensar nessa interface como um mundo bidimensional. Se pudermos começar a entender as interações das coisas que se acumulam lá e aprender como elas estão dispostas, podemos explorá-los em várias aplicações diferentes. "

p Fazer as nanopartículas irem e permanecerem nessa interface é complicado, Contudo. Sua química de superfície pode ser facilmente adaptada a água ou óleo, mas equilibrar os dois para fazer com que as partículas permaneçam neste regime 2-D é mais difícil.

p "Nós entendemos como as partículas funcionam em 3-D, "Crocker disse." Se você colocar cadeias de polímero na superfície que são atraídas pelo solvente, as partículas irão ricochetear umas nas outras e formar uma boa suspensão, o que significa que você pode trabalhar com eles. Contudo, as pessoas nunca fizeram isso em 2-D antes. "

p Mesmo quando as partículas são capazes de permanecer na interface, eles tendem a se agrupar e formar uma pele que não pode ser separada em suas partículas constituintes.

p "Todas as partículas se amam, "Stebe disse." Apenas devido às interações de Van der Waals, se eles podem chegar perto o suficiente, eles se agregam. Mas, como nossas nanopartículas têm braços protetores de ligantes, eles não se agrupam e formam um estado líquido. Eles estão em equilíbrio bidimensional. "

p A técnica da equipe para superar este problema dependia da decoração de suas nanopartículas de ouro com surfactante, ou como sabonete, ligantes. Esses ligantes têm uma cabeça que adora água e uma cauda que adora óleo, e a maneira como eles são fixados à partícula central permite que eles se contorçam de forma que ambos os lados fiquem felizes quando a partícula está em uma interface. Este arranjo produz uma forma de "disco voador", com os ligantes estendendo-se mais na interface do que acima ou abaixo. Esses amortecedores de ligante impedem que as partículas se aglutinem.

p "Este é um sistema muito bonito, "Stebe disse." A capacidade de ajustar seu empacotamento significa que agora podemos pegar tudo o que sabemos sobre a termodinâmica de equilíbrio em duas dimensões e começar a fazer perguntas sobre as camadas de partículas. Essas partículas se comportam como pensamos que deveriam? Como podemos manipulá-los no futuro? "

p Para obter os fundamentos deste sistema, os pesquisadores precisaram deduzir as relações de certas propriedades, por exemplo, como a pressão de seu líquido 2-D muda em função do empacotamento das partículas. Eles usaram uma variação do método da gota pendente, em que uma gota de óleo se formou em uma suspensão de partículas em água. Hora extra, partículas ligadas à interface óleo-água, produzindo o líquido 2-D em uma forma em que eles pudessem medir essas características.

p "Podemos inferir a pressão deste fluido 2-D pelo formato da gota, "Disse Stebe." Uma vez que comprimimos a gota puxando um pouco do óleo de volta para a seringa, podemos determinar como a forma muda e relacioná-la com a pressão na camada. "

p Os pesquisadores também precisaram determinar a densidade das partículas. Para fazer isso, eles queriam aproveitar o fato de que a gota se tornava mais opaca à medida que a densidade da partícula aumentava quando a gota era comprimida. Contudo, não foi possível medir simplesmente a quantidade de luz que brilhou através da gota, já que o comportamento plasmônico significava que as propriedades das nanopartículas de ouro mudavam à medida que se aproximavam.

p "Felizmente, descobrimos outra característica interessante deste sistema de nanopartículas, "Garbin disse." Se a gota foi comprimida demais, algumas partículas cairiam da interface porque não cabiam mais. Isso nos permitiu medir a quantidade de partículas que estavam naquela pluma caindo, uma vez que as partículas estão mais distantes umas das outras lá. A partir dessa medição, poderíamos trabalhar no sentido inverso ao número de partículas na interface "

p A relação suave entre o empacotamento das partículas e a pressão do líquido 2-D que elas formam fornece a base das regras universais que governam a física de tais sistemas.

p "A partir desses dados, "Crocker disse, "podemos descobrir a força versus distância de duas nanopartículas. Isso significa que agora podemos fazer um modelo de como essas partículas se comportam no líquido 2-D."

p Ter essas regras permitirá aos pesquisadores desenvolver nanopartículas funcionais com diferentes características, como ligantes mais longos e complexos que realizam alguma tarefa química.

p "Uma aplicação é a catálise de interface, "Stebe disse." Por exemplo, se você tiver um reagente que está na fase de óleo, mas seu produto está na fase de água, ter uma partícula na interface que pode ajudar a movê-lo de um para o outro seria perfeito. "

p Uma melhor compreensão de quando e por que as partículas ficam presas nas interfaces líquido-líquido também pode servir de base para trabalhos futuros.