Una nueva película bidimensional, hecha de polímeros y nanopartículas y desarrollada por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab, puede dirigir dos líquidos diferentes que no se mezclan en una variedad de arquitecturas exóticas. Este hallazgo podríaconducen a robótica blanda, circuitos líquidos, fluidos que cambian de forma y una serie de nuevos materiales que utilizan sustancias blandas, en lugar de sólidas.
El estudio, publicado hoy en la revista Nanotecnología de la naturaleza , presenta la entrada más reciente en una clase de sustancias conocidas como geles de emulsión atascados bicontinuos, o bijels, que son prometedores como un líquido maleable que puede soportar reacciones catalíticas, conductividad eléctrica y conversión de energía.
Los bisel suelen estar hechos de líquidos inmiscibles o que no se mezclan. Las personas que agitan su botella de vinagreta antes de verter el aderezo en la ensalada están familiarizadas con esos líquidos. Tan pronto como deja de temblar, los líquidos comienzan a separarse nuevamente,con el líquido de menor densidad, a menudo aceite, subiendo a la parte superior.
Atrapar o atascar las partículas donde se encuentran estos líquidos inmiscibles puede evitar que los líquidos se separen por completo, estabilizando la sustancia en un bijel. Lo que hace que los bijels sean notables es que, en lugar de simplemente hacer las gotas esféricas que normalmente vemos cuando intentamosmezclar aceite y agua, las partículas en la interfaz dan forma a los líquidos en redes complejas de canales de fluidos interconectados.
Sin embargo, los Bijels son notoriamente difíciles de hacer, ya que involucran temperaturas exactas en etapas cronometradas con precisión. Además, los canales de líquido normalmente tienen más de 5 micrómetros de ancho, lo que los hace demasiado grandes para ser útiles en la conversión de energía y la catálisis.
"Los bijels han sido de interés durante mucho tiempo como materiales de próxima generación para aplicaciones de energía y síntesis química", dijo la autora principal del estudio, Caili Huang. "El problema ha sido hacer suficientes de ellos y con características del tamaño adecuado. En este trabajo, resolvemos ese problema ".
Huang comenzó el trabajo como estudiante de posgrado con Thomas Russell, el investigador principal del estudio, en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, y continuó el proyecto como investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del DOE.
Creando una nueva receta bijel
El método descrito en este nuevo estudio simplifica el proceso de bijel al usar primero partículas especialmente recubiertas de entre 10 y 20 nanómetros de diámetro. Las partículas de menor tamaño se alinean en las interfaces líquidas mucho más rápidamente que las que se usan en los bijels tradicionales, lo que hace que el tamaño sea más pequeño.canales que son muy valorados para las aplicaciones.
"Básicamente hemos tomado líquidos como aceite y agua y les hemos dado una estructura, y es una estructura que se puede cambiar", dijo Russell, un científico de la facultad visitante en el Berkeley Lab. "Si las nanopartículas responden a los, o estímulos mecánicos, los bijels pueden volverse reconfigurables y remodelados bajo demanda por un campo externo. "
Los investigadores pudieron preparar nuevos bijels a partir de una variedad de solventes orgánicos comunes insolubles en agua, como el tolueno, que tenía ligandos disueltos en él, y agua desionizada, que contenía las nanopartículas. Para asegurar una mezcla completa de los líquidos,sometieron la emulsión a un vórtice girando a 3.200 revoluciones por minuto.
"Esta sacudida extrema crea un montón de nuevos lugares donde estas partículas y polímeros pueden encontrarse", dijo el coautor del estudio Joe Forth, becario postdoctoral en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab. "Estás sintetizando una gran cantidad deeste material, que es en efecto una fina capa bidimensional de las superficies líquidas del sistema ".
Los líquidos se mantuvieron como un bijel incluso después de una semana, un signo de la estabilidad del sistema.
Russell, quien también es profesor de ciencia e ingeniería de polímeros en la Universidad de Massachusetts-Amherst, agregó que estas características de cambio de forma serían valiosas en microrreactores, dispositivos de microfluidos y actuadores suaves.
Superjabón de nanopartículas
Las nanopartículas no se habían considerado seriamente en bijels antes porque su pequeño tamaño hacía que fueran difíciles de atrapar en la interfaz líquida. Para resolver ese problema, los investigadores recubrieron partículas de tamaño nanométrico con ácidos carboxílicos y las pusieron en agua. Luego tomaron polímeroscon un grupo amina agregado, un derivado del amoníaco, y los disolvió en el tolueno.
Esta configuración aprovechó la afinidad del grupo amina por el agua, una característica comparable a los surfactantes, como el jabón. Su "supersjabón" de nanopartículas fue diseñado para que las nanopartículas se unan a ligandos, formando una forma similar a un pulpo con una cabeza polar ypatas no polares que se atascan en la interfaz, dijeron los investigadores.
"Los bijels son realmente un material nuevo, y también excitantemente extraños en el sentido de que se detienen cinéticamente en estas configuraciones inusuales", dijo el coautor del estudio Brett Helms, científico del personal de la Fundición Molecular de Berkeley Lab. "El descubrimiento que se puede hacerEstos bijels con ingredientes simples es una sorpresa. Todos tenemos acceso a aceites, agua y nanocristales, lo que permite una amplia sintonía en las propiedades de los bijel. Esta plataforma también nos permite experimentar con nuevas formas de controlar su forma y función, ya que son sensibles y reconfigurables.. "
Las nanopartículas estaban hechas de sílice, pero los investigadores notaron que en estudios anteriores usaron grafeno y nanotubos de carbono para formar tensioactivos de nanopartículas.
"La clave es que las nanopartículas pueden estar hechas de muchos materiales", dijo Russell. "Lo más importante es lo que hay en la superficie".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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