Ученые наблюдали «пустую» жидкость
 Изображения различных состояний вещества: первоначальная жидкая фаза (a), гель (b) и разделенные фазы (c). (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Гели – достаточно обычные на сегодняшний день материалы, но способ, которым их получают, зависит от входящих в них частиц. До сих пор существовал один основной метод получения геля, так называемый процесс выхода из равновесия: прерванное разделение фаз. Но хоть это и часто используемая методика, она не идеальна. Проблема этой техники заключается в ее непостоянности и неконтролируемости.
Теперь же совместная научная группа из Consiglio Nazionale delle Ricerche (Италия) и ESRF (Франция) предложила новый контролируемый способ производства гелей. Исследователи изучали коллоидную систему, известную как лапонит. Эта субстанция используется для разбавления различных продуктов, например, моющих средств, керамической глазури, поверхностных покрытий и косметических продуктов. Они обнаружили, что при определенных условиях лапонит формирует дисперсную систему малой плотности (или «пустую» жидкость), которая является устойчивым в течение долгого времени гелем. Эта «пустая» жидкость может непрерывно преобразовываться в стабильную структуру, известную как «равновесный гель». Ранее подобное поведение для лапонита предсказывали вычислительные эксперименты, однако эти явления никогда не наблюдались на практике. Полные результаты эксперимента опубликованы в статье в журнале Nature Materials.
«Пустая» жидкость или состояние дисперсной системы, при которой входящие в нее частицы соединены в достаточно «свободные» сети, формируется благодаря взаимодействию между отдельными наночастицами. Нанопластинки, находящиеся в малой концентрации в «буферной» жидкости, соединяются посредством всего нескольких связей друг с другом. При этом «передняя» сторона одной частицы касается «задней» стороны другой. То есть частицы как бы «заморожены» в пространственную сеть, энергия которой очень близка к «нулевому» состоянию. Это возможно благодаря тому, что частицам энергетически выгодно соединяться посредством нескольких связей.
Плотность «пустой» жидкости контролируется при помощи количества связей, приходящегося на одну частицу. Очевидно, что если связей на частицу будет две, то единственная возможная пространственная структура – это длинные цепи частиц. Однако гораздо более прочные структуры получаются, если к «двухвалентным» частицам в малой концентрации добавлять те, что могут образовывать три связи. В этом случае цепи будут иногда разветвляться.
Приготовление равновесного геля заняло у ученых долгих семь лет. Но группа утверждает, что система стала стабильной уже через год. В данный момент они заняты тем, что ищут способы более быстрого производства равновесных гелей. Еще одно направление будущих исследований – поиск других веществ, которые обеспечили бы создание равновесного геля.
Предложенные равновесные гели могут найти применение в любых областях, где необходимы долговечные непортящиеся материалы, к примеру, в производстве аккумуляторов или нанокомпозитах. Подобные системы могли бы применяться для доставки лекарств в организмы или для «ремонта» тканей и материалов. Особенную выгоду для медицины и фармацевтики обещает тот факт, что предложенное вещество полностью биологически совместимо.
Также по теме:
- Фазовый переход
- Взаимодействие жидкостей во время химической реакции напоминает кольца табачного дыма
Источники: