Um novo filme bidimensional, feito de polímeros e nanopartículas e desenvolvido por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), pode direcionar dois líquidos não misturáveis ​​diferentes em uma variedade de arquiteturas exóticas. Essa descoberta pode levar à robótica suave, circuito de líquido, fluidos que mudam de forma, e uma série de novos materiais que usam materiais macios, ao invés de sólido, substâncias.

O estudo, relatado hoje no jornal Nature Nanotechnology , apresenta a mais nova entrada em uma classe de substâncias conhecidas como géis de emulsão congestionada bicontínuos, ou bijels, que são promissores como um líquido maleável que pode suportar reações catalíticas, condutividade elétrica, e conversão de energia.

Bijels são normalmente feitos de materiais imiscíveis, ou sem mistura, líquidos. As pessoas que agitam a garrafa de vinagrete antes de despejar o molho na salada estão familiarizadas com esses líquidos. Assim que o tremor parar, os líquidos começam a se separar novamente, com o líquido de densidade mais baixa - geralmente óleo - subindo para o topo.

Trapping, ou jamming, partículas onde esses líquidos imiscíveis se encontram podem impedir que os líquidos se separem completamente, estabilizar a substância em um bijel. O que torna os bijels notáveis ​​é que, em vez de apenas fazer as gotículas esféricas que normalmente vemos quando tentamos misturar óleo e água, as partículas na interface moldam os líquidos em redes complexas de canais de fluidos interconectados.

Bijels são notoriamente difíceis de fazer, Contudo, envolvendo temperaturas exatas em estágios precisamente cronometrados. Além disso, os canais de líquido têm normalmente mais de 5 micrômetros de diâmetro, tornando-os muito grandes para serem úteis na conversão de energia e na catálise.

"Bijels há muito tempo são de interesse como materiais de próxima geração para aplicações de energia e síntese química, "disse o principal autor do estudo, Caili Huang." O problema tem sido torná-los suficientes, e com recursos do tamanho certo. Nesse trabalho, resolvemos esse problema. "

Huang começou o trabalho como estudante de graduação com Thomas Russell, o investigador principal do estudo, na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, e ele continuou o projeto como pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE.

Criação de uma nova receita de bijel

O método descrito neste novo estudo simplifica o processo de bijel usando primeiro partículas especialmente revestidas com cerca de 10-20 nanômetros de diâmetro. As partículas de menor tamanho revestem as interfaces do líquido muito mais rapidamente do que as usadas em bijels tradicionais, tornando os canais menores que são altamente valorizados para aplicações.

"Basicamente, pegamos líquidos como óleo e água e lhes demos uma estrutura, e é uma estrutura que pode ser alterada, "disse Russell, um professor visitante do Berkeley Lab. "Se as nanopartículas são responsivas à eletricidade, magnético, ou estímulos mecânicos, os bijels podem se tornar reconfiguráveis ​​e remodelados sob demanda por um campo externo. "

Os pesquisadores foram capazes de preparar novos bijels a partir de uma variedade de produtos orgânicos comuns, solventes insolúveis em água, como o tolueno, que tinha ligantes dissolvidos nele, e água desionizada, que continha as nanopartículas. Para garantir a mistura completa dos líquidos, eles submeteram a emulsão a um vórtice girando a 3, 200 rotações por minuto.

"Esse tremor extremo cria um monte de novos lugares onde essas partículas e polímeros podem se encontrar, "disse o co-autor do estudo Joe Forth, um pós-doutorado na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab. "Você está sintetizando muito desse material, que é, na verdade, um fino, Revestimento 2-D das superfícies líquidas do sistema. "

Os líquidos permaneceram como bijels mesmo depois de uma semana, um sinal de estabilidade do sistema.

Russell, que também é professor de ciência de polímeros e engenharia na Universidade de Massachusetts-Amherst, acrescentou que essas características de mudança de forma seriam valiosas em microrreatores, dispositivos microfluídicos, e atuadores macios.

Supersoap de nanopartículas

As nanopartículas não tinham sido consideradas seriamente em bijels antes porque seu tamanho pequeno as tornava difíceis de capturar na interface do líquido. Para resolver esse problema, os pesquisadores revestiram as partículas nanométricas com ácidos carboxílicos e os colocaram na água. 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, como sabonete. 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, disseram os pesquisadores.

"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, um cientista da equipe da Fundição Molecular do 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."