Simulaties werpen veel licht op janus-deeltjes

Janus-deeltjes, genoemd naar een Romeinse god, verwijzen naar nanodeeltjes die oppervlakken hebben met twee of meer verschillende fysisch-chemische eigenschappen.

De speciale nanodeeltjes werden in de wetenschappelijke gemeenschap geïntroduceerd door Nobelprijswinnaar Pierre-Gilles de Gennes in 1991, die erop wees dat “objecten met twee kanten van verschillende bevochtigbaarheid het unieke voordeel hebben dat ze dicht bij elkaar komen op vloeistof-vloeistof-interfaces”, en bijgevolg , het genereren van nieuwe colloïdale structuren.

De resulterende chemische asymmetrie leidde tot de ontdekking van nieuwe en ongebruikelijke moleculaire eigenschappen, waardoor Janus-deeltjes relevant zijn voor een breed scala aan toepassingen, van biogeneeskunde tot waterafstotend textiel tot de fabricage van membranen met afstembare eigenschappen.

In Fysica van vloeistoffengebruiken onderzoekers van de Universiteit van Calgary, in Alberta, Canada, simulaties van dissipatieve deeltjesdynamica (DPD) om de translationele diffusie van Janus-nanodeeltjes op het grensvlak tussen twee niet-mengbare vloeistoffen te onderzoeken, die niet in staat zijn om te mengen of homogeniteit te bereiken.

De simulaties richten zich op een cluster van bolvormige deeltjes die worden gebruikt om een ​​stijf lichaam van Janus-staven te creëren en werpen licht op het dynamische gedrag van de nanodeeltjes, met verschillende oppervlaktecoatings en afmetingen, op een water-olie-interface. Het werk onthult een sterke invloed van hun vorm op hun oriëntatie op het grensvlak en op hun mobiliteit.

“Als gevolg hiervan wijzigen deze verschillende individuele reacties de grensvlakspanning van het hele systeem, wat van invloed is op de reologie en dus op verwerkingsschema’s”, zegt co-auteur Giovanniantonio Natale.

Natale en zijn collega’s beschrijven een “kantelend en tuimelend” effect vanwege de aanwezigheid van lokale energieminima op het grensvlak, een effect dat varieert met de aspectverhouding van de Janus-staven en de oppervlaktedekking van hun coatings.

Aangetoond is dat de grensvlakspanning afneemt met een grotere aspectverhouding als deeltjes verschuiven van een rechtopstaande positie naar een gekantelde oriëntatie. De spanning neemt af wanneer de coatings horizontaal zijn in plaats van verticaal, omdat de deeltjes meer gestabiliseerd zijn in hun oriëntatie.

In theorie impliceren deze bevindingen dat de geometrische kenmerken van Janus-deeltjes kunnen worden gewijzigd zonder dat hun oppervlaktechemie wordt gewijzigd om stabiele of onstabiele emulsies te produceren.

Al met al biedt het werk een significant en fundamenteel inzicht in de dynamiek en zelfassemblage van anisotrope Brownse deeltjes op grensvlakken, wat het ontwerp en de fabricage van geconstrueerde interfaces beter kan informeren.

“Bovendien kunnen we onze DPD-simulaties gebruiken om systemen op nanoschaal te optimaliseren, waar het uitvoeren en karakteriseren van experimenten vaak extreem uitdagend en tijdrovend is”, zegt Natale.