Representación tridimensional de la nanopartícula bijel tomada por microscopio confocal. Crédito:Caili Huang / ORNL y Joe Forth / Berkeley Lab
Una nueva película bidimensional, hecho de polímeros y nanopartículas y desarrollado 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 podría conducir a la robótica blanda, circuito líquido, fluidos que cambian de forma, y una gran cantidad de materiales nuevos que utilizan blandos, en lugar de sólido, sustancias.
El estudio, informó 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 inmiscibles, o no mezcla, líquidos. Las personas que agitan su botella de vinagreta antes de verter el aderezo en la ensalada están familiarizadas con estos líquidos. Tan pronto como cese el temblor, los líquidos empiezan a separarse de nuevo, con el líquido de menor densidad, a menudo aceite, subiendo a la superficie.
Captura, o interferencia, Las partículas donde se encuentran estos líquidos inmiscibles pueden evitar que los líquidos se separen por completo, estabilizar la sustancia en un bijel. Lo que hace que bijels sea notable es que, en lugar de simplemente hacer las gotas esféricas que normalmente vemos cuando intentamos mezclar aceite y agua, las partículas en la interfaz dan forma a los líquidos en redes complejas de canales de fluidos interconectados.
Los bijels son notoriamente difíciles de hacer, sin embargo, que implican temperaturas exactas en etapas cronometradas con precisión. Además, los canales de líquido tienen normalmente más de 5 micrómetros de ancho, haciéndolos demasiado grandes para ser útiles en conversión de energía y catálisis.
"Los bijels han sido de interés durante mucho tiempo como materiales de próxima generación para aplicaciones energéticas y síntesis química, ", dijo la autora principal del estudio, Caili Huang." El problema ha sido hacer bastantes 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 Oak Ridge del DOE.
Esta ilustración muestra las etapas clave de la formación de bijel. En el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda, se muestran dos líquidos que no se mezclan. Los ligandos (mostrados en amarillo) con grupos amina se dispersan por todo el aceite o disolvente, y las nanopartículas recubiertas con ácidos carboxílicos (mostradas como puntos azules) están esparcidas en el agua. Con vigorosa agitación, las nanopartículas y los ligandos forman un "superjabón" que queda atrapado en la interfaz de los dos líquidos. El panel inferior es una vista ampliada del superjabón de nanopartículas atascado. Crédito:Caili Huang / ORNL
Creando una nueva receta de bijel
El método descrito en este nuevo estudio simplifica el proceso de bijel al utilizar primero partículas con recubrimiento especial 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, haciendo los canales más pequeños que son altamente valorados para las aplicaciones.
"Básicamente, tomamos líquidos como aceite y agua y les dimos una estructura, y es una estructura que se puede cambiar, "dijo Russell, un científico de la facultad visitante en Berkeley Lab. "Si las nanopartículas responden a la electricidad, magnético, 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 orgánicos comunes, disolventes 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.
"Este temblor extremo crea un montón de nuevos lugares donde estas partículas y polímeros pueden encontrarse entre sí, "dijo el coautor del estudio Joe Forth, becario postdoctoral en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab. "Estás sintetizando mucho de este material, que es en efecto un delgado, Recubrimiento bidimensional de las superficies líquidas del sistema ".
Los líquidos permanecieron como un bijel incluso después de una semana, una señal 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.
A la izquierda hay un vial de bijel estabilizado con tensioactivos de nanopartículas. A la derecha está el mismo frasco después de una semana de inversión, mostrando que la nanopartícula evitaba que los líquidos se movieran. Crédito:Caili Huang / ORNL
Superjabón de nanopartículas
Las nanopartículas no se habían considerado seriamente en bijels antes porque su pequeño tamaño las hacía 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 polímeros con un grupo amina agregado, un derivado del amoníaco, y los disolvieron en el tolueno.
This configuration took advantage of the amine group's affinity to water, a characteristic that is comparable to surfactants, como jabón. 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, dijeron los investigadores.
"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, a staff scientist at Berkeley Lab's Molecular Foundry. "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."
