نانومواد

مسدود شدن ذرات نانو در رابط آب و روغن

Nanoparticle jamming at the water-oil interface
اتصال NP ها به رابط روغن و روغن کم جمعیت. (الف) نمودار شماتیک نشان دهنده اتصال یک NP به رابط بکر و روغن آب. (B) تصاویر میکروسکوپی کانفوکال که پیوستگی NP های ۵۰۰ نانومتری به رابط روغن و روغن را نشان می دهد. (C) تعداد NP های ۵۰۰ نانومتری متصل به عنوان تابعی از زمان ، که در آن شیب طبق قانون قدرت ۰٫۵ است. (D) تصویر AFM درجا از NP های ۱۰۰ و ۳۰۰ نانومتری در زمان های مختلف در رابط روغن آب مونتاژ می شوند: t0 و t0 + 3.0 دقیقه ، با یک دایره که یک رویداد پیوست را برجسته می کند. (E) داده های بخش در امتداد پیکان در (D) نشانگر مناسب بودن اندازه و موقعیت قطر NP در رابط است. (F) موقعیت های NP های مونتاژ شده در زمان های مختلف: t0 (قرمز) و t0 + 3.0 دقیقه (آبی) ، جایی که دایره آبی باز نشان دهنده NP تازه متصل شده است. میله های مقیاس ، ۲۰ میکرومتر (B) و ۲۰۰ نانومتر (D و F). اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.abb8675

پوشش آنلاین Science Advances در این هفته مونتاژ سورفاکتانت های نانوذره در یک رابط مایع جامد با استفاده از تکنیک های پیشرفته میکروسکوپ مانند اسکن لیزری میکروسکوپ کانفوکال و میکروسکوپ نیروی اتمی است. دانشمندان مواد برای درک فرآیندهای تصفیه ، امولسیون و کپسول سازی سنگ معدن (یک ترکیب شیمیایی پیچیده و پایدار) برای دهه ها مونتاژ جامدات رابط مایع را کشف کرده بودند. در گزارش جدید ، یو چای و یک تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی ، دانشگاه کالیفرنیا برکلی ، دانشگاه پلی تکنیک هنگ کنگ و دانشگاه توهوکو ، در ایالات متحده ، چین و ژاپن ، نشان دادند که چگونه فعل و انفعالات الکترواستاتیک بین نانوذرات و لیگاندها تشکیل می شود سورفاکتانت های نانوذرات در رابط های آب و روغن – سایپرز ، باشگاه دانش ساختارهای “مسدود” حاصل یک لایه جامد مانند تولید می کنند. هنگامی که تراکم سطح سورفاکتانت های نانو ذره در رابط افزایش می یابد ، اتصال بیشتر نیاز به جابجایی مشترک سورفاکتانت های نانوذره مونتاژ شده قبلی دارد. وضوح زیاد فضا-زمان مشاهدات آنها سازوکار پیچیده اتصال و ماهیت مونتاژ ذرات نانو را نشان داد.

مشاهده مواد جامد در رابط های مایع

در این کار ، چای و همکاران از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) همراه با اسکن میکروسکوپ کانفوکال (LSCM) برای بدست آوردن جزئیات قابل توجه از جامدات در رابط های مایع برای ارائه بینشی از پدیده های متراکم شدن ذرات نانو. محققان مواد در مهندسی کاربرد علاقه مند به مونتاژ مواد جامد در رابط های مایع برای کاربردهایی مانند تصفیه سنگ معدن a هستند > ، امولسیون و کپسوله سازی بر اساس تفکیک بین سطحی . وقتی اندازه ذره کاهش می یابد ، انرژی اتصال ذره در رابط می تواند کاهش یابد ، منجر به جذب و دفع نانوذرات می شود. اگر نانوذراتی که در یک مایع محلول هستند با لیگاندهای عملکردی نهایی در یک مایع دوم غیرقابل ترکیب تعامل داشته باشند ، محققان می توانند انرژی اتصال ذرات نانو به رابط را افزایش داده و تشکیل دهند سورفاکتانت های نانوذره . انرژی اتصال بسیار بالای جذب می تواند سیستم را به حالت غیر تعادلی برساند.

تنظیم تنش سطحی

این تیم با محاسبه تنش سطحی (γ) رابط بین دو مایعات غیر قابل اختلاط را مشخص کردند. هنگامی که نانوذرات دارای بار منفی در فاز آبی پراکنده شدند ، کشش سطحی تحت تأثیر قرار نگرفت زیرا ذرات نانو به دلیل بار ذاتی منفی در رابط آب و روغن در سطح مشترک جمع نمی شوند. با این حال ، سورفاکتانت های پلیمری مانند پلی متیل سیلوکسان ترشح شده با آمین (PMDS-NH ۲ ) ، در روغن سیلیکون حل شده و به منظور کاهش کشش سطحی به صورت یک لایه در رابط مونتاژ می شود. شدت کشش سطحی کاهش یافته به غلظت PDMS-NH ۲ و وزن مولکولی بستگی دارد زنجیره PDMS .

Nanoparticle jamming at the water-oil interface
جلد آنلاین – تراکم نانوذرات (NP). مواد فعال کننده سطح نانوذرات به رابط های روغن و آب متصل می شوند. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.abb8675

این تیم یک فرآیند پیوست را یادآوری کرد ، جایی که نانوذرات عاملدار شده با اسید کربوکسیلیک به سطح رابط پخش شده و با سورفاکتانت های پلیمری کاتیونی (PDMS-NH ۳ + ) ارتباط برقرار کرده و نانوذره تشکیل می دهند مواد فعال کننده سطح. با برچسب زدن به نانوذرات با نشانگرهای فلورسنت ، Chai و همکاران. فرآیند جذب را با استفاده از اسکن لیزری با استفاده از اسکن لیزری با جزئیات پایین بررسی کرد. سینتیک جذب با قانون فیک مطابقت دارد. به عنوان مثال ، رفتن از یک منطقه با غلظت بالا به یک منطقه با غلظت کم متناسب با شیب غلظت ، با کنترل قابل توجه انتشار Fickian اتصال. بنابراین ، نتایج از جذب کنترل شده با نفوذ به رابط پشتیبانی می کند ، جایی که سد انرژی برای اتصال کمتر از انرژی گرمایی سیستم است. سپس نانوذرات پس از تماس با رابط در رابط باقی ماندند.

استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی برای تشخیص ذرات نانو

هنگامی که نانوذرات بیشتری در سطح روغن و روغن جمع می شوند ، میکروسکوپ اسکن لیزری تکنیک a> به طور م effectivelyثر نمی تواند آنها را جداگانه تفکیک کند – از آنجا که حداقل فاصله تفکیک بیش از وضوح ساز است. بنابراین تیم با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی پیوند نانوذرات رابط رابط روغن و روغن را در فضا-زمان بصورت مستقیم تجسم می کند. آنها سپس قطرها و موقعیت نانوذرات را نسبت به رابط تعیین کردند و انرژی اتصال نانوذرات به رابط را به عنوان تابعی از اندازه ذرات و کشش سطحی ، در رابط روغن و آب نشان دادند. بر اساس رفتار نانوذرات در رابط رابط آب و روغن ، چای و همکاران متذکر شدند که چگالی بار در حال افزایش چگونه بر اتصال ماده سورفاکتانت به نانوذره تأثیر بیشتری می گذارد و انرژی سطح و ذرات را به مرحله روغن سوق می دهد. پویایی حرکت ذرات نانو در رابط کاربری به دلیل آرایش متراکم تر ، کند می شود.

Nanoparticle jamming at the water-oil interface
اتصال NP های ۳۰۰ نانومتری به رابط آب و روغن کاملاً پر جمعیت. (الف) نمودار شماتیک اتصال یک NP 300 نانومتری که NP های قبلی به صورت جانبی و عمودی جابجا می شوند. (B) وابسته به زمان درجا AFM نشان دهنده اتصال ۳۰۰ نانومتر NP به رابط روغن آب است ، جایی که دایره سفید نشان دهنده NP تازه جذب شده است. (C) موقعیت های NPS در t0 (قرمز) و t0 + 5.3 دقیقه (آبی) ، جایی که نقطه آبی کمرنگ نشان دهنده NP تازه متصل شده و نقاط قرمز کمرنگ نمایانگر NPS است که پس از اتصال NP تازه متصل شده توسط AFM نمی تواند واقع شود. میله های مقیاس ، ۲۰۰ نانومتر. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.abb8675

مشاهده بازآرایی ذرات نانو

هنگامی که تراکم منطقه ای نانوذرات در رابط افزایش یافت ، فضای کافی برای جا دادن ورود نانوذرات جدید وجود ندارد. بنابراین ، مونتاژ به تنهایی تنظیم مجدد شد. چای و همکاران این بازآرایی را با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی متذکر شد ، گرچه آنها نوسانات مشاهده شده را کمی نمی کنند. آنها تغییرات سازه ای مشترک نانوذرات مونتاژ شده در رابط را مشاهده می کنند تا اتصال ذرات اضافی را در خود جای دهند. جالب اینجاست که چندین نانوذره قابل تشخیص نیستند ، به طور بالقوه در زیر نانوذرات بزرگتر اضافه شده به سیستم گیر افتاده اند. با این حال ، تیم نمی توانست این پدیده را تنها با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی مشاهده کند. چای و همکاران بنابراین میکروسکوپ کانفیکال اسکن لیزری (LSCM) را مجدداً به مجموعه راه اندازی کرد تا بینشی در مورد اضافه شدن نانوذرات اضافی به مجموعه های متراکم موجود ارائه دهد.

Nanoparticle jamming at the water-oil interface
اتصال NP ها به رابط روغن و روغن با NP های مونتاژ شده. (الف) تصاویر LSCM که پیوستگی NP های ۵۰۰ نانومتری به رابط روغن آب با NPS های ۷۰ نانومتری مونتاژ شده را نشان می دهد. (B) تعداد NPS های ۵۰۰ نانومتری در میدان دید به عنوان تابعی از زمان. (C) تصاویر AFM درجا ، مونتاژ NPS های ۳۰ و ۳۰۰ نانومتری در رابط روغن و روغن را نشان می دهد. (D) تصاویر AFM درجا نشان دهنده اتصال NP های ۳۰۰ نانومتری به رابط روغن آب با NPS های ۳۰ و ۳۰۰ نانومتری مونتاژ شده است. (E) تصاویر AFM درجا وابسته به زمان که نشان دهنده اتصال NP 300 نانومتری به رابط روغن آب است که توسط NPS های ۱۰۰ و ۳۰۰ nm پوشانده شده است ، جایی که مستطیل های زرد مناطق آسیب دیده را نشان می دهند. (F) پروفیلهای خط منطقه نشان داده شده در (E) نشانگر آرامش NP 300 نانومتری تازه متصل شده است. میله های مقیاس ، ۲۰ میکرومتر (A) ، ۱۰۰ نانومتر (C) ، ۵۰۰ نانومتر (D) و ۲۰۰ نانومتر (E). اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.abb8675

دانشمندان برای آزمایش پراکندگی مخلوط نانوذرات با اندازه های مختلف برای بررسی مونتاژ پویای آنها ، آزمایش های LSCM (میکروسکوپ کانفیکال اسکن لیزری) را نیز در اختیار گرفتند. در حالی که ذرات ریز و درشت در رابط بهم پیوسته اند ، فقط ذرات نانو بزرگ می توانند به وضوح حل شوند. جالب توجه است ، تیم بسیاری از مناطق تاریک را به صورت ترک ، احتمالاً از تماس بین آب و مراحل روغن در تنظیم ، مشاهده کرد. تشکیل ترک بیشتر مناطق جدیدی از سطح را در معرض دید قرار داد ، که سرانجام به عنوان یک علامت تجاری مهم از مایعات ساختاریافته برای حفظ یکپارچگی آنها به طور کلی.

Nanoparticle jamming at the water-oil interface
ویدئو LCSM ترکیب مونتاژ نانوذرات ۷۰ نانومتر (قرمز) و -۵۰۰ نانومتر (سبز) و فرآیند خود ترمیم را نشان می دهد. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.abb8675

چشم انداز درگیر شدن ذرات نانو

به این ترتیب ، یو چای و همکارانش مونتاژ نانوذرات رابط روغن و آب را بررسی کردند و عوامل کنترل کننده روند جذب را بررسی کردند. با استفاده از AFM ( میکروسکوپ نیروی اتمی ) و LSCM (لیزر) آنها میکروسکوپ کانفوکال را اسکن می کنند) ، آنها تغییرات ساختاری را مشاهده می کنند که در مرحله اولیه اتصال ذرات نانو به رابط ، از جمله فرآیندهای کنترل شده انتشار وجود دارد. فرآیند اتصال با واکنش کنترل می شود ، جایی که مونتاژ موجود سد الکترواستاتیکی برای نانوذرات اضافی است که به رابط نزدیک می شوند. در نتیجه بازآرایی آنها را هماهنگ می کند تا اتصال نانوذرات جدید را فراهم کند. تیم با استفاده از تکنیک های پیشرفته میکروسکوپ ، فرآیند پیوست را تحت شرایط مختلف با وضوح بالا برای ارائه بینشی در جذب و متراکم سازی به منظور کمک به طراحی و ساخت مجامع پاسخگو ، شرح داده اند.


میکروسکوپ الکترونی تشکیل ابرشبکه نانوذرات در یک رابط مایع جامد در مایعات غیر قطبی


اطلاعات بیشتر:
Chai Y. و همکاران مشاهده مستقیم مونتاژ نانوذرات و سورفاکتانت و ایجاد مسدود شدن در رابط روغن و روغن ، پیشرفتهای علمی ، ۱۰٫۱۱۲۶ / sciadv.abb8675
کراسلی S. و همکاران نانو ذرات جامد که واکنش های به روز رسانی سوخت زیستی را در سطح آب / روغن کاتالیز می کنند ، Science ، ۱۰٫۱۱۲۶ / science.1180769

Kaz D. و همکاران پیری فیزیکی خط تماس روی ذرات کلوئیدی در رابط های مایع مواد طبیعت ، doi.org/10.1038/nmat3190

© ۲۰۲۰ Science X Network

استناد :
مسدود شدن نانوذرات در رابط روغن و روغن (۲۰۲۰ ، ۴ دسامبر)
بازیابی شده در ۷ دسامبر ۲۰۲۰
از https://phys.org/news/2020-12-nanoparticle-water-oil-interface.html

این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. جدا از هرگونه معامله عادلانه به منظور مطالعه خصوصی یا تحقیق ، هیچ
نسخه ممکن است بدون اجازه کتبی تولید شود. محتوای مذکور فقط به هدف اطلاع رسانی ایجاد شده است.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا