Donde el agua y el aceite se encuentran, existe un mundo bidimensional. Esta interfaz presenta un conjunto de propiedades potencialmente útil para químicos e ingenieros, pero lograr que algo más complejo que una molécula de jabón permanezca allí y se comporte de manera predecible sigue siendo un desafío.

Un equipo de la Universidad de Pensilvania ahora ha demostrado cómo hacer nanopartículas que se sienten atraídas por esta interfaz pero no entre sí. creando un sistema que actúa como un líquido bidimensional. Al medir la presión y la densidad de este líquido, han mostrado un camino a seguir en su uso para una variedad de aplicaciones, como en nanofabricación, catálisis y dispositivos fotónicos.

Al crear un sistema en el que estas partículas no se agrupen en grupos o capas, han permitido una forma de investigar los fundamentos físicos de cómo los objetos a nanoescala interactúan entre sí en dos dimensiones.

El trabajo fue realizado por la investigadora postdoctoral Valeria Garbin, el estudiante de posgrado Ian Jenkins y los profesores Talid Sinno, John Crocker y Kathleen Stebe, todo el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn.

Fue publicado en Cartas de revisión física .

"Las cosas se atascan en la interfaz entre el aceite y el agua, ", Dijo Stebe." Eso tiene un enorme interés fundamental y tecnológico, porque podemos pensar en esa interfaz como un mundo bidimensional. Si podemos comenzar a comprender las interacciones de las cosas que se acumulan allí y aprender cómo se organizan, podemos explotarlos en varias aplicaciones diferentes ".

Conseguir que las nanopartículas vayan y permanezcan en esta interfaz es complicado, sin embargo. Su química superficial se puede adaptar fácilmente al agua o al aceite, pero equilibrar los dos para que las partículas permanezcan en este régimen bidimensional es más difícil.

"Entendemos cómo funcionan las partículas en 3-D, ", Dijo Crocker." Si pones cadenas de polímero en la superficie que son atraídas por el solvente, las partículas rebotarán entre sí y formarán una bonita suspensión, lo que significa que puede trabajar con ellos. Sin embargo, la gente realmente no ha hecho eso en 2-D antes ".

Incluso cuando las partículas pueden permanecer en la interfaz, tienden a agruparse y formar una piel que no se puede separar en sus partículas constituyentes.

"Todas las partículas se aman a sí mismas, ", Dijo Stebe." Solo debido a las interacciones de Van der Waals, si pueden acercarse lo suficiente, ellos agregan. Pero debido a que nuestras nanopartículas tienen brazos protectores de ligandos, no se agrupan y forman un estado líquido. Están en equilibrio bidimensional ".

La técnica del equipo para superar este problema dependía de decorar sus nanopartículas de oro con surfactante, o parecido al jabón, ligandos. Estos ligandos tienen una cabeza amante del agua y una cola amante del aceite. y la forma en que se unen a la partícula central les permite contorsionarse para que ambos lados estén felices cuando la partícula está en una interfaz. Esta disposición produce una forma de "platillo volante", con los ligandos estirándose más en la interfaz que arriba o abajo. Estos protectores de ligandos evitan que las partículas se agrupen.

"Este es un sistema muy hermoso, "Dijo Stebe." La capacidad de ajustar su empaque significa que ahora podemos tomar todo lo que sabemos sobre la termodinámica del equilibrio en dos dimensiones y comenzar a plantear preguntas sobre las capas de partículas. ¿Se comportan estas partículas como pensamos que deberían? ¿Cómo podemos manipularlos en el futuro? "

Para llegar a los fundamentos de este sistema, los investigadores necesitaban deducir las relaciones de ciertas propiedades, por ejemplo, cómo cambia la presión de su líquido 2-D en función del empaque de las partículas. Usaron una variación del método de caída colgante, en el que se formó una gota de aceite en una suspensión de partículas en agua. Tiempo extraordinario, partículas adheridas a la interfaz aceite-agua, produciendo el líquido 2-D en una forma en la que pudieran medir esos rasgos.

"Podemos inferir la presión de este fluido bidimensional por la forma de la gota, "Dijo Stebe." Una vez que comprimimos la gota tirando un poco del aceite de regreso a la jeringa, podemos determinar cómo cambia la forma y relacionarlo con la presión en la capa ".

Los investigadores también necesitaban determinar qué tan densamente estaban empaquetadas las partículas. Para hacerlo querían aprovechar el hecho de que la gota se volvía más opaca a medida que aumentaba la densidad de la partícula cuando se comprimía la gota. Sin embargo, no era posible medir simplemente la cantidad de luz que brillaba a través de la gota, ya que el comportamiento plasmónico significaba que las propiedades de las nanopartículas de oro cambiaban a medida que se acercaban.

"Afortunadamente, descubrimos otra característica interesante de este sistema de nanopartículas, ", Dijo Garbin." Si la gota se comprimió demasiado, algunas partículas se saldrían de la interfaz porque ya no encajaban. Esto nos permitió medir la cantidad de partículas que había en esa columna que caía, ya que las partículas están más alejadas unas de otras allí. De esa medida, podríamos trabajar hacia atrás al número de partículas en la interfaz "

La suave relación entre el empaquetamiento de las partículas y la presión del líquido 2-D que forman proporciona la base de las reglas universales que gobiernan la física de tales sistemas.

"A partir de estos datos, "Crocker dijo, "Podemos calcular la fuerza en función de la distancia de dos nanopartículas. Eso significa que ahora podemos hacer un modelo de cómo se comportan estas partículas en el líquido 2-D".

Tener estas reglas permitirá a los investigadores desarrollar nanopartículas funcionales con diferentes rasgos, como ligandos más largos y complejos que realizan alguna tarea química.

"Una aplicación es la catálisis de interfaces, "Dijo Stebe." Por ejemplo, si tiene un reactivo en fase oleosa, pero su producto está en fase acuosa, tener una partícula en la interfaz que pueda ayudar a moverla de una a otra sería perfecto ".

Una mejor comprensión de cuándo y por qué las partículas quedan atrapadas en las interfaces líquido-líquido también podría respaldar el trabajo futuro.