Los nanocristales dentro de una gota de líquido que se inyecta en una solución aceitosa (izquierda) se comprimen químicamente en un estado 2D "atascado" similar a un sólido (centro), lo que hace que se formen arrugas en la superficie de la gota, y luego se vuelven a un relajado, estado similar al líquido (derecha) en el que las arrugas se suavizan. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Encontró una manera de hacer que un estado similar a un líquido se comporte más como un sólido, y luego revertir el proceso.
Ponen una gota de un líquido que contiene nanocristales de óxido de hierro en un líquido aceitoso que contiene pequeñas hebras de polímero.
Descubrieron que un aditivo químico en la gota puede competir con el polímero, como un pequeño tira y afloja, en nanopartículas en la intersección de los líquidos.
Pudieron hacer que las nanopartículas ensambladas aquí se atascaran, haciéndolo actuar como un sólido, y luego desatascarse y volver a un estado similar al líquido mediante la acción competitiva de empujar y tirar del polímero y el aditivo.
"La capacidad de moverse entre estos estados bloqueados y no bloqueados tiene implicaciones para el desarrollo de la electrónica totalmente líquida, y para interactuar con las células y controlar las funciones celulares, "dijo Tom Russell de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, quien codirigió el estudio con Brett Helms, científico del personal de la Fundición Molecular de Berkeley Lab. Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que se especializa en investigación en nanociencia.
"Pudimos ver cómo estas gotitas experimentan estas transformaciones de fase en tiempo real, "Dijo Helms." Ver para creer. Estamos analizando las propiedades mecánicas de un líquido 2-D y un sólido 2-D ". Los resultados se publicaron en línea el 3 de agosto en Avances de la ciencia .
Observaron este movimiento entre los dos estados simplemente observando los cambios en la forma de la gota. Los cambios proporcionan información sobre la tensión en la superficie de la gota, como observar la superficie de un globo inflado o desinflado.
Usaron un microscopio de fuerza atómica, que funciona como una pequeña aguja de tocadiscos para moverse sobre la superficie de la gota para medir sus propiedades mecánicas.
El último estudio se basa en investigaciones anteriores de Russell y Helms, investigadores visitantes, y otros en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y en Molecular Foundry para esculpir el complejo, estructuras tridimensionales totalmente líquidas inyectando hilos de agua en aceite de silicona.
Un compuesto químico conocido como ligando (rosa), que se une a la superficie de los nanocristales (verde), compite con la unión de las hebras de polímero (rojo) en un proceso que hace que los cristales se comporten en un estado sólido. Los científicos también demostraron que la colección de nanocristales puede relajarse y volver a un estado líquido. El fondo azul representa una gota de líquido, y el amarillo representa una sustancia aceitosa que rodea la gota. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Si bien el cambio de estado líquido a estado sólido generalmente implica cambios de temperatura, en este último estudio, los investigadores introdujeron un compuesto químico conocido como ligando que se une a la superficie de las nanopartículas de una manera precisa.
"Demostramos no solo que podíamos tomar estos materiales 2-D y experimentar esta transición de un sólido a un líquido, sino que también controlamos la velocidad a la que esto sucede mediante el uso de un ligando a una concentración definida, "Dijo Helms.
A concentraciones más altas de ligando, el conjunto de nanocristales se relajó más rápidamente desde un estado bloqueado hasta un estado libre.
Los investigadores también encontraron que podían manipular las propiedades de las gotas líquidas en la solución de aceite aplicando un campo magnético; el campo puede deformar la gota al atraer los nanocristales que contienen hierro, por ejemplo, y cambiar la tensión en la superficie de las gotitas.
Encontrar nuevas formas de controlar estos sistemas totalmente líquidos podría ser útil para interactuar con los sistemas vivos, Helms dijo:como células o bacterias.
"Básicamente, podría tener la capacidad de comunicarse con ellos:muévalos a donde quiera que vayan, o mover electrones o iones hacia ellos, "Dijo Russell." Ser capaz de acceder a esto mediante entradas simples es el valor de esto ".
El estudio también es valioso para mostrar propiedades químicas y mecánicas fundamentales de los propios nanocristales.
Helms señaló que la simplicidad del último estudio debería ayudar a otros a aprender de la investigación y aprovecharla. "No usamos nada complicado aquí. Nuestro objetivo es mostrar que cualquiera puede hacer esto. Proporciona una visión inteligente sobre la nanoquímica en las interfaces. También nos muestra que los sistemas químicos se pueden diseñar con estructuras y propiedades personalizadas en el dominio del tiempo como así como en el dominio espacial ".
La investigación futura podría centrarse en cómo miniaturizar las estructuras líquidas para aplicaciones biológicas o para aplicaciones energéticas en materiales 2-D, Russell señaló.
"La belleza de este trabajo es la manipulación de elementos a nanoescala, solo mil millonésimas de pulgada de tamaño, en construcciones más grandes que responden y se adaptan a su entorno o a desencadenantes específicos, " él dijo.
