Nanodeeltjesgel verenigt olie en water in een productievriendelijke aanpak

Olie en water mengen zich misschien niet, maar door de juiste nanodeeltjes aan het recept toe te voegen, kunnen deze twee niet-mengbare vloeistoffen worden omgezet in een exotische gel met toepassingen variërend van batterijen tot waterfilters tot slimme vensters die van tint veranderen. Een nieuwe benadering om deze ongebruikelijke klasse zachte materialen te creëren, zou ze het laboratorium uit kunnen voeren en op de markt kunnen brengen.

Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Delaware hebben ontdekt wat een betere manier lijkt om deze gels te maken, die al meer dan een decennium een ​​gebied van intensieve research zijn. Een deel van hun potentieel brede bruikbaarheid is de complexe reeks onderling verbonden microscopisch kleine kanalen die zich daarin vormen en een sponsachtige structuur creëren. Deze kanalen bieden niet alleen doorgangen waar andere materialen doorheen kunnen, waardoor ze bruikbaar zijn voor filtratie, maar geven de gel ook een groot intern oppervlak, een eigenschap die waardevol is voor het versnellen van chemische reacties of als steiger waarop levend weefsel kan groeien.

Hoewel het door deze en andere voordelen klinkt alsof gel-innovators op olie hebben geslagen, zijn hun creaties nog niet goed gemengd met de markt. De gels worden gewoonlijk gevormd uit twee vloeibare oplosmiddelen die met elkaar zijn vermengd. Net als bij olie en water mengen deze oplosmiddelen zich niet goed, maar om te voorkomen dat ze volledig uit elkaar vallen, voegen onderzoekers op maat gemaakte nanodeeltjes toe die op het grensvlak tussen hen kunnen blijven. Door deze ingrediënten zorgvuldig te koken, ontstaat er een samenhangende gel. Het proces is echter veeleisend omdat het op maat ontwerpen van nanodeeltjes voor elke toepassing moeilijk was, en het vormen van de gels vereiste een zorgvuldig gecontroleerde snelle temperatuurverandering. Deze beperkingen hebben het moeilijk gemaakt om dit type gel te maken in meer dan kleine hoeveelheden die geschikt zijn voor laboratoriumexperimenten in plaats van op industriële schaal.

Zoals beschreven in een nieuw Nature Communications papier heeft het NIST / Delaware-team manieren gevonden om veel van deze problemen te omzeilen. De nieuwe benadering vormt wat de onderzoekers een “SeedGel” noemen, een afkorting voor “door oplosmiddelen gescheiden gel”. In plaats van nanodeeltjes te ontwerpen om op het grensvlak tussen de twee oplosmiddelen te blijven, concentreren de door hen gekozen deeltjes zich in een ervan. Hoewel deze deeltjes elkaar afstoten, is de affiniteit van de deeltjes voor een van de oplosmiddelen sterker en houdt ze ze bij elkaar in het kanaal. Met behulp van neutronenverstrooiingsinstrumenten van het NIST Center for Neutron Research (NCNR) bewees het team ondubbelzinnig dat het erin geslaagd was de nanodeeltjes te concentreren waar het wilde.

De resulterende gel zou veel gemakkelijker te maken kunnen zijn, aangezien de twee oplosmiddelen in wezen olie en water zijn, en de nanodeeltjes siliciumdioxide – in wezen kleine bolletjes van gewoon kwarts. Het kan ook verschillende industriële toepassingen hebben.

“Onze SeedGel heeft een grote mechanische sterkte, is veel gemakkelijker te maken en het proces is schaalbaar naar wat fabrikanten nodig zouden hebben”, zegt Yun Liu, die zowel een NCNR-wetenschapper is als een aangesloten hoogleraar aan de Universiteit van Delaware. “Bovendien is het thermo-omkeerbaar.”

Deze omkeerbaarheid verwijst naar een optische eigenschap die de voltooide SeedGel bezit: het kan overschakelen van transparant naar ondoorzichtig en weer terug, gewoon door de temperatuur te veranderen. Deze eigenschap kan worden benut in slimme ramen die een dunne laag gel tussen twee glasplaten klemmen.

“Deze optische eigenschap zou de SeedGel ook nuttig kunnen maken voor andere lichtgevoelige toepassingen”, zegt Yuyin Xi, een onderzoeker van de Universiteit van Delaware die ook bij de NCNR werkt. “Ze kunnen nuttig zijn in sensoren.”

Omdat de gel-creatiebenadering van het team kan worden gebruikt met andere combinaties van oplosmiddelen en nanodeeltjes, kan het nuttig worden in filters voor waterzuivering en mogelijk andere filtratieprocessen, afhankelijk van het type nanodeeltjes dat wordt gebruikt.

Liu zei ook dat de creatiebenadering het mogelijk maakt om de grootte van de kanalen in de gel af te stemmen door de snelheid waarmee de temperatuur verandert tijdens het vormingsproces te veranderen, waardoor applicatieontwerpers een andere mate van vrijheid krijgen om te verkennen.

“Onze benadering is een generieke benadering die voor veel verschillende nanodeeltjes en oplosmiddelen werkt”, zei hij. “Het breidt de toepassingen van dit soort gels enorm uit.”