Am laufenden Band: Zuschauen, wie Nanopartikel in Form kommen

Flüssige Strukturen - Flüssigkeitströpfchen, die eine bestimmte Form beibehalten - sind für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich, von der Lebensmittelverarbeitung bis hin zu Kosmetika, Medizin und sogar der Erdölförderung, aber Forscher haben bisher noch nicht das volle Potenzial dieser aufregenden neuen Materialien ausgeschöpft, weil nicht viel darüber bekannt ist, wie sie sich bilden.

Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung des Berkeley Labs hochauflösende Echtzeit-Videos von flüssigen Strukturen aufgenommen, die Form annehmen, wenn sich nanopartikuläre Tenside (NPSs) - seifenähnliche Partikel mit einer Größe von nur einem Milliardstel Meter - dicht nebeneinander zu einer feststoffähnlichen Schicht an der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser zusammenfügen.

Ihre Ergebnisse, die kürzlich auf der Titelseite von Science Advances veröffentlicht wurden, könnten Forschern dabei helfen, flüssige Strukturen besser zu optimieren, um neue biomedizinische Anwendungen wie rekonfigurierbare Mikrofluidik für die Medikamentenentwicklung und vollständig flüssige Robotik für die gezielte Verabreichung von Krebsmedikamenten voranzutreiben.

In Experimenten unter der Leitung von Co-Autor Paul Ashby , einem Mitarbeiter der Molecular Foundry and Materials Sciences Division des Berkeley Lab, und Yu Chai, einem ehemaligen Postdoc in der Ashby-Gruppe, der jetzt Assistenzprofessor an der City University of Hong Kong ist, verwendeten die Forscher eine spezielle bildgebende Technik, die Rasterkraftmikroskopie (AFM), um die ersten Echtzeit-Filme der NPSs aufzunehmen, die sich an der Öl-Wasser-Grenzfläche zusammendrängen und verklemmen - ein kritischer Schritt, um eine Flüssigkeit in eine bestimmte Form zu bringen.

Die Filme der Forscher enthüllten ein Porträt der NPS-Grenzfläche mit noch nie dagewesenen Details, einschließlich der Größe jedes NPS, ob die Grenzfläche aus einer oder mehreren Schichten bestand und wie viel Zeit bis auf die Sekunde genau verging, bis sich jeder NPS an die Grenzfläche anlagern und dort festsetzen konnte.

Die spektakulären AFM-Bilder zeigten auch den Winkel, in dem ein NPS an der Grenzfläche "sitzt" - ein unerwartetes Ergebnis. "Wir waren überrascht, wie rau die Grenzflächen sind", sagt Ashby. "Wir hatten immer Abbildungen einer einheitlichen Grenzfläche mit Nanopartikeln gezeichnet, die im gleichen Kontaktwinkel anliegen - aber in unserer aktuellen Studie haben wir festgestellt, dass es tatsächlich eine Menge Variationen gibt."

Die meisten bildgebenden Verfahren auf der Nanoskala können nur unbewegliche Proben untersuchen, die entweder trocken oder gefroren sind. In den letzten Jahrzehnten hat sich Ashby in seiner Forschung auf die Entwicklung einzigartiger AFM-Funktionen konzentriert, die es dem Benutzer ermöglichen, die Sondenspitze so zu steuern, dass sie sanft mit sich schnell bewegenden Proben, wie den NPSs der aktuellen Studie, interagiert, ohne die darunter liegende Flüssigkeit zu berühren - eine anspruchsvolle Aufgabe.

Eine Flüssigkeitsstruktur auf der Nanoskala abzubilden und zu beobachten, wie sich die Nanopartikel mit einer AFM-Sonde in Echtzeit in der Flüssigkeit bewegen - das wäre ohne Pauls umfangreiches Fachwissen nicht möglich", sagte Co-Autor Thomas Russell , ein Gastwissenschaftler und Professor für Polymerwissenschaft und -technik von der University of Massachusetts, der das Programm Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids" in der Materials Sciences Division des Berkeley Lab leitet. "Diese Art von Fähigkeiten sind nirgendwo sonst verfügbar, außer in der Molecular Foundry."

Als Nächstes planen die Forscher, den Effekt von selbsttreibenden Partikeln in NPS-Flüssigkeitsstrukturen zu untersuchen.