Ngày 05 tháng 2023 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Các nhà nghiên cứu đã khai thác các đặc tính độc đáo của các hạt thô có kích thước nano để tạo ra các kênh nhũ tương liên tục mới với các ứng dụng tiềm năng từ phân phối thuốc đến tinh chế. Công việc của họ, được xuất bản trong Vật liệu chức năng nâng cao (“Các kênh nhũ tương liên tục đạt được bằng cách kiểm soát bề mặt tiếp xúc nước-dầu chỉ bằng keo thô”), chứng tỏ ma sát tăng cường độ nhám có thể làm chậm động lực học và ổn định các bề mặt chất lỏng-lỏng phức tạp như thế nào. Nhũ tương trộn chất lỏng không thể trộn lẫn là trọng tâm của các sản phẩm từ thực phẩm đến mỹ phẩm. Ví dụ, nhũ tương như mayonnaise trộn các chất lỏng thường không hòa trộn. Chúng yêu cầu thêm các phân tử gọi là chất hoạt động bề mặt để ổn định bề mặt tiếp xúc giữa các chất lỏng. (Mayonnaise là hỗn hợp nhũ tương của dầu, lòng đỏ trứng, giấm hoặc nước cốt chanh, với gia vị để tạo hương vị. Lòng đỏ trứng có tác dụng như chất nhũ hóa vì nó có chứa lecithin, một chất giúp hòa trộn và ổn định hỗn hợp dầu và nước. dựa trên giấm hoặc nước chanh.) Gần đây các nhà khoa học đã tạo ra nhũ tương bằng cách sử dụng các hạt rắn cỡ micro hoặc nano thay vì chất hoạt động bề mặt. Các hạt hấp phụ vào bề mặt chất lỏng-lỏng, khóa nó tại chỗ. Những cái gọi là nhũ tương Pickering này có thể tạo thành các giọt rời rạc. Hấp dẫn hơn là các mạng nhị phân được mệnh danh là gel nhũ tương bị kẹt giữa các bề mặt liên tục or bijels. Thay vì các đốm màu riêng biệt, bijels chứa các kênh liên kết với nhau của hai chất lỏng trải khắp vật liệu.
Cơ chế hình thành. a) Quá trình hình thành kênh nhũ tương liên tục. Từ trái sang phải: ngay sau khi nhũ hóa, 1, 3, 5, 7 và 10 phút sau khi nhũ hóa. Dung dịch nhuộm Eosin Y hòa tan trong rượu đã được sử dụng để dán nhãn ethanol (huỳnh quang đỏ). b) Quan sát bằng kính hiển vi đồng tiêu chứng minh đặc tính 3D của các cấu trúc liên tục. c) Kỹ thuật chụp ảnh huỳnh quang siêu phân giải (Stellaris 8, Leica, Đức) cho thấy các giao diện có độ cong cao chủ yếu được hỗ trợ bởi các hạt thô dày đặc (được đánh dấu bằng vòng tròn nét đứt), trong khi giao diện phẳng có thể được ổn định bởi một lớp đơn (được đánh dấu trong vòng tròn đặc). (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Cho đến nay, bijels yêu cầu sự cân bằng cẩn thận của chất lỏng cộng với những thay đổi về mặt hóa học bề mặt của các hạt. Các nhà khoa học hiện đã thực hiện một phương pháp mới sử dụng các hạt silica thô không có bất kỳ chất bổ sung hóa học nào nhưng có độ nhám được điều chỉnh ở cấp độ nano. Cách tiếp cận sáng tạo của họ vượt qua các nhu cầu trước đây về sửa đổi hóa học bề mặt riêng biệt hoặc các cặp chất lỏng được cân bằng chính xác. Các nhà nghiên cứu nhận thấy những hạt “gập ghềnh” này tạo thành những mạng lưới bất thường khi trộn vào hỗn hợp nước, ethanol và dầu silicon. Bước đột phá quan trọng là sử dụng độ nhám được thiết kế để điều khiển các tương tác giữa các hạt và chất lỏng giữa các hạt. Các hạt hình cầu mượt mà hơn không thể củng cố ổn định các bề mặt chất lỏng phức tạp của bijels. Nhưng nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra các hạt thô cụ thể làm cản trở quá trình tách pha thông thường. Bẫy động học này trong quá trình trộn tạo ra mạng lưới không cân bằng thay vì các pha tách biệt như mong đợi. Hình ảnh và mô phỏng tiên tiến cho thấy địa hình bề mặt của các hạt cản trở sự sắp xếp lại của chúng tại giao diện như thế nào. Các bề mặt nhô ra lồng vào nhau, chống nén và cắt. Khóa cấu hình này bảo tồn các cấu trúc bijel trong khoảng thời gian từ milimet trong vài giây đến vài phút.
Hiện tượng lồng vào nhau. a) Sự chuyển đổi từ lớp đơn lớp bị thấm (được đánh dấu trong vòng tròn màu vàng) sang sự tích tụ không đều (được đánh dấu trong vòng tròn màu đỏ) của các hạt MR ở bề mặt tiếp xúc không khí-nước. b) Phản ứng ứng suất khi tốc độ cắt tăng đột ngột đối với các kênh liên tục được ổn định bởi các hạt thô khác nhau. Các đường đứt nét thể hiện sự phù hợp nhất của mô hình thực nghiệm.[21] Đối với mỗi độ nhám bề mặt, ít nhất ba phép đo được thực hiện. (Phần đầu của b)) Hiệu ứng liên kết giữa các hạt thô tạo thành chuỗi lực (được đánh dấu màu đỏ sẫm) và các tập hợp chịu lực khác (được đánh dấu màu đỏ nhạt) để cung cấp hỗ trợ cơ học cho hệ thống. Các mũi tên chỉ ra rằng các tập hợp lồng vào nhau như vậy có thể chịu được lực cắt tiếp theo. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Bên cạnh việc ổn định giao diện, mạng lưới các hạt thô bị kẹt còn tạo ra độ cứng cơ học giống như chất rắn. Khả năng chống biến dạng như vậy giúp phân biệt bijels với các nhũ tương khác và cho phép các ứng dụng như kỹ thuật vi phản ứng. Các nhà nghiên cứu cũng phân tích cách ethanol tạo điều kiện cho sự hình thành bijel. Nó làm giảm sức căng bề mặt để thúc đẩy sự gắn kết của các hạt ở ranh giới dầu-nước. Và các mô hình tính toán cho thấy sự di chuyển ưu tiên của ethanol từ nước số lượng lớn để làm phong phú thêm giao diện. Khả năng tự tối ưu hóa giao diện động này là chìa khóa cho sự hình thành mạng lưới hạt. Chất hoạt động bề mặt có thể dễ dàng tạo ra các giọt, mạng lưới, v.v. Phương pháp tiếp cận hạt nano thô mới độc đáo này mở ra con đường cho bijels sử dụng hỗn hợp chất lỏng có thể trộn được và tương thích sinh học như ethanol-nước và dầu silicon. Các nhà nghiên cứu đã thu được mạng 3D nhất quán với thể tích ~7mL mà không có bất kỳ thay đổi hóa học bề mặt hạt nào. Những mạng lưới như vậy có những ứng dụng tiềm năng từ phân phối thuốc đến cấy ghép y tế. Để chứng minh khái niệm, nhóm nghiên cứu đã nạp các loại thuốc điều trị ung thư khác nhau vào các vùng chất lỏng riêng biệt. Sự kết hợp thể hiện hiệu quả nâng cao so với các loại thuốc đơn lẻ. Bijels cũng cho phép loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi dầu bằng cách giữ lại các hạt ở bề mặt phân cách, thể hiện các ứng dụng trong lọc và lọc vi mô. Điều quan trọng là những hiểu biết sâu sắc về việc sử dụng độ nhám có kích thước nano được thiết kế để làm cản trở quá trình phân tách pha có ý nghĩa rộng hơn đối với thiết kế nhũ tương. Các quan sát cải thiện sự hiểu biết cơ bản về cơ chế nhũ hóa. Điều này có thể hỗ trợ tối ưu hóa tính toán của nhũ tương và các vật liệu mềm khác. Bằng cách kiểm soát tốt các ranh giới chất lỏng-chất lỏng, phương pháp tiếp cận hạt phù hợp cũng có thể tạo ra nhũ tương với các họa tiết kiến trúc mới. Việc phát triển hơn nữa bijels vì môi trường vi mô 3D có thể mở ra cánh cửa trong sinh học tổng hợp, vi chất lỏngvà phát triển vật liệu. Nhìn chung, nghiên cứu này cho thấy các khía cạnh vật lý của hạt nano như độ nhám cho phép sử dụng vật lý giao diện hạt lộn xộn một cách hiệu quả. Kết hợp với khả năng mở rộng để chế tạo các hình dạng và bề mặt hạt phức tạp, điều này hứa hẹn sẽ tạo ra các hệ thống nhũ tương phức tạp hơn cho nghiên cứu và công nghiệp.
By
Michael
Berger
Cơ chế hình thành. a) Quá trình hình thành kênh nhũ tương liên tục. Từ trái sang phải: ngay sau khi nhũ hóa, 1, 3, 5, 7 và 10 phút sau khi nhũ hóa. Dung dịch nhuộm Eosin Y hòa tan trong rượu đã được sử dụng để dán nhãn ethanol (huỳnh quang đỏ). b) Quan sát bằng kính hiển vi đồng tiêu chứng minh đặc tính 3D của các cấu trúc liên tục. c) Kỹ thuật chụp ảnh huỳnh quang siêu phân giải (Stellaris 8, Leica, Đức) cho thấy các giao diện có độ cong cao chủ yếu được hỗ trợ bởi các hạt thô dày đặc (được đánh dấu bằng vòng tròn nét đứt), trong khi giao diện phẳng có thể được ổn định bởi một lớp đơn (được đánh dấu trong vòng tròn đặc). (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Cho đến nay, bijels yêu cầu sự cân bằng cẩn thận của chất lỏng cộng với những thay đổi về mặt hóa học bề mặt của các hạt. Các nhà khoa học hiện đã thực hiện một phương pháp mới sử dụng các hạt silica thô không có bất kỳ chất bổ sung hóa học nào nhưng có độ nhám được điều chỉnh ở cấp độ nano. Cách tiếp cận sáng tạo của họ vượt qua các nhu cầu trước đây về sửa đổi hóa học bề mặt riêng biệt hoặc các cặp chất lỏng được cân bằng chính xác. Các nhà nghiên cứu nhận thấy những hạt “gập ghềnh” này tạo thành những mạng lưới bất thường khi trộn vào hỗn hợp nước, ethanol và dầu silicon. Bước đột phá quan trọng là sử dụng độ nhám được thiết kế để điều khiển các tương tác giữa các hạt và chất lỏng giữa các hạt. Các hạt hình cầu mượt mà hơn không thể củng cố ổn định các bề mặt chất lỏng phức tạp của bijels. Nhưng nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra các hạt thô cụ thể làm cản trở quá trình tách pha thông thường. Bẫy động học này trong quá trình trộn tạo ra mạng lưới không cân bằng thay vì các pha tách biệt như mong đợi. Hình ảnh và mô phỏng tiên tiến cho thấy địa hình bề mặt của các hạt cản trở sự sắp xếp lại của chúng tại giao diện như thế nào. Các bề mặt nhô ra lồng vào nhau, chống nén và cắt. Khóa cấu hình này bảo tồn các cấu trúc bijel trong khoảng thời gian từ milimet trong vài giây đến vài phút.
Hiện tượng lồng vào nhau. a) Sự chuyển đổi từ lớp đơn lớp bị thấm (được đánh dấu trong vòng tròn màu vàng) sang sự tích tụ không đều (được đánh dấu trong vòng tròn màu đỏ) của các hạt MR ở bề mặt tiếp xúc không khí-nước. b) Phản ứng ứng suất khi tốc độ cắt tăng đột ngột đối với các kênh liên tục được ổn định bởi các hạt thô khác nhau. Các đường đứt nét thể hiện sự phù hợp nhất của mô hình thực nghiệm.[21] Đối với mỗi độ nhám bề mặt, ít nhất ba phép đo được thực hiện. (Phần đầu của b)) Hiệu ứng liên kết giữa các hạt thô tạo thành chuỗi lực (được đánh dấu màu đỏ sẫm) và các tập hợp chịu lực khác (được đánh dấu màu đỏ nhạt) để cung cấp hỗ trợ cơ học cho hệ thống. Các mũi tên chỉ ra rằng các tập hợp lồng vào nhau như vậy có thể chịu được lực cắt tiếp theo. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Bên cạnh việc ổn định giao diện, mạng lưới các hạt thô bị kẹt còn tạo ra độ cứng cơ học giống như chất rắn. Khả năng chống biến dạng như vậy giúp phân biệt bijels với các nhũ tương khác và cho phép các ứng dụng như kỹ thuật vi phản ứng. Các nhà nghiên cứu cũng phân tích cách ethanol tạo điều kiện cho sự hình thành bijel. Nó làm giảm sức căng bề mặt để thúc đẩy sự gắn kết của các hạt ở ranh giới dầu-nước. Và các mô hình tính toán cho thấy sự di chuyển ưu tiên của ethanol từ nước số lượng lớn để làm phong phú thêm giao diện. Khả năng tự tối ưu hóa giao diện động này là chìa khóa cho sự hình thành mạng lưới hạt. Chất hoạt động bề mặt có thể dễ dàng tạo ra các giọt, mạng lưới, v.v. Phương pháp tiếp cận hạt nano thô mới độc đáo này mở ra con đường cho bijels sử dụng hỗn hợp chất lỏng có thể trộn được và tương thích sinh học như ethanol-nước và dầu silicon. Các nhà nghiên cứu đã thu được mạng 3D nhất quán với thể tích ~7mL mà không có bất kỳ thay đổi hóa học bề mặt hạt nào. Những mạng lưới như vậy có những ứng dụng tiềm năng từ phân phối thuốc đến cấy ghép y tế. Để chứng minh khái niệm, nhóm nghiên cứu đã nạp các loại thuốc điều trị ung thư khác nhau vào các vùng chất lỏng riêng biệt. Sự kết hợp thể hiện hiệu quả nâng cao so với các loại thuốc đơn lẻ. Bijels cũng cho phép loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi dầu bằng cách giữ lại các hạt ở bề mặt phân cách, thể hiện các ứng dụng trong lọc và lọc vi mô. Điều quan trọng là những hiểu biết sâu sắc về việc sử dụng độ nhám có kích thước nano được thiết kế để làm cản trở quá trình phân tách pha có ý nghĩa rộng hơn đối với thiết kế nhũ tương. Các quan sát cải thiện sự hiểu biết cơ bản về cơ chế nhũ hóa. Điều này có thể hỗ trợ tối ưu hóa tính toán của nhũ tương và các vật liệu mềm khác. Bằng cách kiểm soát tốt các ranh giới chất lỏng-chất lỏng, phương pháp tiếp cận hạt phù hợp cũng có thể tạo ra nhũ tương với các họa tiết kiến trúc mới. Việc phát triển hơn nữa bijels vì môi trường vi mô 3D có thể mở ra cánh cửa trong sinh học tổng hợp, vi chất lỏngvà phát triển vật liệu. Nhìn chung, nghiên cứu này cho thấy các khía cạnh vật lý của hạt nano như độ nhám cho phép sử dụng vật lý giao diện hạt lộn xộn một cách hiệu quả. Kết hợp với khả năng mở rộng để chế tạo các hình dạng và bề mặt hạt phức tạp, điều này hứa hẹn sẽ tạo ra các hệ thống nhũ tương phức tạp hơn cho nghiên cứu và công nghiệp.
By
Michael
Berger
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64000.php
