Это вдохновило группу исследователей из Французского национального центра научных исследований (CNRS) на изучение степени наших знаний о фундаментальных свойствах жидкостей, которые требуют пересмотра с увеличением использования жидкостей в новых устройствах уменьшающихся размеров, где их поток заключен в капиллярные трубки все меньшего размера.
Как сообщает группа в The Journal of Chemical Physics от AIP Publishing, они обнаружили своеобразное состояние смешиваемых или смешиваемых жидкостей, содержащихся в наноканалах.
Это своеобразное состояние «соответствует упорядоченному концентрическому расположению двух сосуществующих жидких областей разного состава», — сказал Дени Морино, директор по исследованиям CNRS в Ренне. "Одна область образует оболочку, окружающую вторую жидкую сердцевину, каждая из которых имеет радиальную толщину от одного до четырех молекулярных размеров.
«[Это явление] известно как« микрофазовое разделение », потому что оно не означает, что составляющие двух жидких областей действительно разделятся по фазе», — сказал он. "Они фактически образуют уникальную однородную жидкую фазу при нормальных условиях. Фактически, эта скрытая тенденция бинарных жидкостей к образованию спонтанных супрамолекулярных упорядоченных структур обнаруживается только в микроскопическом масштабе."
В начальной школе многие ученики экспериментируют с капельками чернил, скажем, от перьевой ручки, чтобы наблюдать их рассеивание в стакане с водой. В конце концов, капля полностью диспергируется, и смешиваемая комбинация приводит к образованию гомогенного светло-голубого раствора.
«Это показывает, что две жидкости полностью смешиваются, и их бинарная смесь образует единую жидкую фазу при термодинамическом равновесии», — сказал Морино. «Теперь, объединив разные пары простых растворителей, мы показали, что это неотъемлемое свойство полностью смешиваемых бинарных жидкостей становится недействительным при уменьшении размера контейнера."
По сути, они напрямую измерили, насколько мал является слишком малым, чтобы образец двух смешивающихся жидкостей считался объединенным раствором.
Это явление было впервые обнаружено во время эксперимента по рассеянию нейтронов, проведенного на французском Национальном источнике нейтронов Orphee в лаборатории Леона Бриллюэна (LLB). Исследование было развито в LLB в сотрудничестве с European Large Scale Facility (Институт Лауэ-Ланжевена).
«Рассеянные нейтроны показывают, где находятся атомы в образце, с пространственным разрешением, достигающим нанометрового масштаба», — сказал Морино. «Уникальный метод чувствителен к изотопной природе атома. В отличие от рентгеновских лучей, они четко разграничивают водород и (изотоп водорода) дейтерий."
Группа применила этот метод для изучения структуры простых растворителей, таких как углеводороды и спирты, пропитанных синтетическими пористыми твердыми частицами из кварцевого стекла.
Стекло имело сотовую структуру параллельных цилиндрических каналов шириной восемь нанометров. Пористый материал служил набором пробирок нанометрового размера.
Группа Морино смешала молекулы одной и той же жидкости, но различающиеся по общему количеству нейтронов от обмена атомами водорода с его более тяжелым изотопом, дейтерием. При правильных пропорциях смесь может быть настроена так, чтобы рассеивать нейтроны в соответствии с рассеянием от стеклянных трубок, делая два неразличимых.
«Мы впервые применили этот трюк для приготовления и удержания жидкостей, которые имеют такое же взаимодействие с нейтронами, как нанокапилляры из кварцевого стекла. При таком условии согласования контраста нейтрон не видит жидкости, и измеренная интенсивность рассеяния аннулируется », — сказал Морино. "[С чернилами это] соответствовало бы ситуации, в которой и раствор с чернилами, и стеклянный контейнер имеют точно такой же цвет, что делает их неотличимыми."
Группа провела удивительное наблюдение для некоторых конфиденциальных бинарных жидкостей, где они ожидали поведения нейтронного согласования, но сигнал был выше, чем когда-либо.
«Это было первое прямое доказательство того, что парадигма однородного состава в полностью смешиваемой смеси должна разрушаться в наноканалах», — сказал Морино.
Для реального применения группа расширила серию тщательно разработанных экспериментов, чтобы установить методы маркировки компонентов бинарных жидкостей.
«В сочетании с разработкой вычислительной модели это показывает отличное согласие с нашими нынешними экспериментами», — сказал Морино. "Мы предоставили удобный метод оценки исходной структуры жидкостей, впитанных в нанометровую среду."
Манипулирование жидкостями в наноструктурированных порах является обычным делом для многих процессов химии и материаловедения, но также играет важную роль в биологических средах, где исследователи ожидают, что их работа будет иметь широкое применение.
«Наше исследование предполагает, что микрофазовое разделение, как новый тип наноструктуры, является результатом сопутствующих эффектов специфических поверхностных взаимодействий и пространственного ограничения», — сказал Морино. "Поэтому мы рады возможности модуляции обоих элементов, которая предлагает новый контроль над надмолекулярной сборкой сложных смесей."
Они планируют продолжить изучение динамики, неравновесных свойств и потока жидкости в таких системах. «Они представляют фундаментальный интерес, а также для разработки наножидкостных устройств», — сказал он. «Сейчас мы сотрудничаем с двумя исследовательскими группами из Гамбурга, чтобы изучить эти разные точки зрения."