Reducir la investigación de objetos a la escala nanométrica a menudo revela nuevas propiedades de la materia que no tienen equivalente para su análisis global. Este fenómeno está motivando muchos estudios actuales de nanomateriales que pueden revelar nuevos fenómenos fascinantes.

Inspiró a un grupo de investigadores del Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) a explorar el alcance de nuestro conocimiento sobre las propiedades fundamentales de los fluidos, lo que exige una reconsideración con el uso creciente de fluidos en los tamaños decrecientes de los nuevos dispositivos, donde su flujo está confinado en tubos capilares cada vez más pequeños.

Como informa el grupo en La Revista de Física Química descubrieron un estado peculiar de miscible, o mezclable, fluidos contenidos en nanocanales.

Este estado peculiar "corresponde a un bien ordenado, Disposición concéntrica de dos regiones líquidas coexistentes de diferente composición, "dijo Denis Morineau, director de investigación del CNRS, en Rennes. "Una región forma una capa que rodea un segundo núcleo líquido, ambos tienen un espesor radial de sólo uno a cuatro tamaños moleculares.

"[El fenómeno] se conoce como 'separación de microfases' porque no implica que los componentes de las dos regiones líquidas de hecho se separen en fases, ", dijo." En realidad, forman una fase líquida homogénea única durante las condiciones normales. De hecho, esta tendencia oculta de los fluidos binarios a formar estructuras ordenadas supramoleculares espontáneas se revela sólo a escala microscópica ".

En la escuela primaria, muchos alumnos experimentan con gotas de tinta de, decir, una pluma estilográfica para observar su dispersión en un vaso de agua. Finalmente, la gota se dispersa completamente y la combinación miscible conduce a la formación de una solución azul claro.

"Esto muestra que dos líquidos son completamente miscibles y su mezcla binaria forma una sola fase líquida en equilibrio termodinámico, "dijo Morineau." Ahora, mediante la combinación de diferentes pares de disolventes simples, hemos demostrado que esta propiedad inherente de los líquidos binarios completamente miscibles se invalida cuando se reduce el tamaño del recipiente ".

Efectivamente, midieron directamente qué tan pequeño es demasiado pequeño para que una muestra de dos líquidos miscibles se considere una solución combinada.

Este fenómeno se observó por primera vez durante un experimento de dispersión de neutrones realizado en la fuente nacional francesa de neutrones Orphée en el laboratorio Léon Brillouin (LLB). El estudio se desarrolló aún más en LLB en colaboración con el European Large Scale Facility (Instituto Laue-Langevin).

"Los neutrones dispersos revelan dónde están los átomos en la muestra con una resolución espacial que alcanza la escala nanométrica, ", Dijo Morineau." El método único es sensible a la naturaleza isotópica del átomo. A diferencia de los rayos X, proporcionan una clara distinción entre hidrógeno y (el isótopo del hidrógeno) deuterio ".

El grupo aplicó este método para estudiar la estructura de solventes simples como hidrocarburos y alcoholes, impregnado de sintético, sólidos porosos hechos de vidrio de sílice. El vidrio presentaba una disposición en forma de panal de paralelos, canales cilíndricos de ocho nanómetros de ancho. El material poroso sirvió como una colección de tubos de ensayo de tamaño nanométrico.

El grupo de Morineau mezcló moléculas del mismo líquido, pero que difieren en el número total de neutrones del intercambio de átomos de hidrógeno con su isótopo más pesado, deuterio. Con las proporciones adecuadas, la mezcla se puede ajustar para dispersar neutrones que coincidan con la dispersión de los tubos de vidrio, haciendo que los dos sean indistinguibles.

"Primero usamos este truco para preparar y confinar líquidos que tienen la misma interacción con los neutrones que los nanocapilares de vidrio de sílice. Bajo esta condición de coincidencia de contraste, el neutrón es ciego al líquido y la intensidad dispersada medida se cancela, ", Dijo Morineau." [Con tinta, esto] correspondería a la situación en la que tanto la solución entintada como el recipiente de vidrio tienen exactamente el mismo color, haciéndolos indistinguibles ".

El grupo tuvo una observación sorprendente para algunos líquidos binarios confiados, donde esperaban un comportamiento de coincidencia de neutrones, pero la señal era más alta que nunca.

"Esta fue la primera prueba directa de que el paradigma de la composición homogénea en una mezcla completamente miscible debe romperse dentro de los nanocanales, "dijo Morineau.

Para una aplicabilidad real, el grupo amplió una serie de experimentos cuidadosamente diseñados para establecer métodos de etiquetado de los componentes de líquidos binarios.

"Combinado con el desarrollo de un modelo computacional, muestra una excelente concordancia con nuestros experimentos actuales, "Dijo Morineau." Hemos proporcionado un método útil para evaluar las estructuras originales de los fluidos embebidos en entornos de escala nanométrica ".

La manipulación de líquidos en poros nanoestructurados es una actividad común a muchos procesos de química y ciencia de los materiales. pero también juega un papel importante en entornos biológicos donde los investigadores esperan que su trabajo tenga una amplia aplicabilidad.

"Nuestro estudio sugiere que la separación de microfases, como un nuevo tipo de nanoestructura, resulta de los efectos concomitantes de interacciones superficiales específicas y el confinamiento espacial, ", dijo Morineau." Así que estamos entusiasmados con la oportunidad que ofrece la modulación de ambos elementos para promover un nuevo control sobre el ensamblaje supermolecular de mezclas complejas ".

Planean investigar más a fondo la dinámica, propiedades fuera de equilibrio y flujo de fluido dentro de tales sistemas. "Estos son fundamentalmente de interés, así como para el desarrollo de dispositivos nanofluídicos, ", dijo." Ahora estamos colaborando con dos grupos de investigación de Hamburgo para explorar estas diferentes perspectivas ".