Иллюстрация процедуры эксперимента XPCS и его методов анализа как в равновесных, так и в неравновесных состояниях. Источник: Труды Национальной академии наук (2024). DOI: 10.1073/pnas.2401162121
Примерно 70 лет Play-Doh развлекает детей своей пластичной, мягкой формой. Эта знакомая субстанция принадлежит к более широкой категории, известной как мягкая материя, которая включает некоторые продукты питания (например, майонез), гели для 3D-принтеров, электролиты для аккумуляторов и латексную краску.
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета сообщают о новаторском достижении в лучшем понимании и улучшении свойств текучести мягкой материи на атомном уровне (наномасштабе). Это достижение зависит от современной техники, называемой рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопией (XPCS).
Исследование опубликовано в PNAS.
«Мягкая материя легко деформируется», — объяснил Мэтью Тиррелл, старший научный сотрудник и старший научный сотрудник Аргоннского университета и почетный профессор Чикагского университета. «Его свойства очень чувствительны к внешним воздействиям, таким как сила, изменение температуры или химическая реакция».
Тиррелл привел в пример краску. Когда краска наносится на стены, в наномасштабе возникают очень сложные потоки, но когда нанесение кистью или валиком прекращается, нужно, чтобы поток остановился, чтобы краска не стекала по стене.
«В двух словах, мы разработали новую методику для характеристики сложных флуктуаций, которые испытывают наночастицы мягкой материи, подвергаясь воздействию чего-то вроде приложенной силы или изменения температуры», — сказал аспирант и ведущий автор ХонгРуй Хе, работавший над этим проектом в рамках программы Graduate Research Cooperative. В этой программе он работает над докторской диссертацией в Чикагском университете, одновременно проводя исследования в Аргонне.
До сих пор никто не мог точно определить поведение потока и взаимодействия этих наночастиц с течением времени и сопоставить их со свойствами объемного потока. «Предыдущие эксперименты XPCS требовали усреднения собранных данных, что приводило к потере важной информации о сложных процессах в наномасштабе», — отметил Вэй Чэнь, химик из Аргонна.
Инновационный метод команды позволяет ученым определить ключевой фактор, коэффициент переноса, на основе данных XPCS. Этот коэффициент измеряет поток в материале. Его определение необходимо для понимания того, как мягкая материя движется и изменяется с течением времени в ответ на внешний стимул.
Для получения необходимых данных XPCS требуется специальный рентгеновский луч, такой как тот, что доступен в Advanced Photon Source (APS), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США в Аргонне. Этот луч чувствителен к любому беспорядку в материале с течением времени в наномасштабе.
Команда протестировала свой метод XPCS со сложным мягким материалом — плотной смесью сферических заряженных частиц в солевом растворе. Сдвиг — это сила, приложенная к материалу на линии пучка 8-ID-I APS.
«Сдвиг происходит, когда вы наносите толстый слой лосьона на руки и растираете их друг о друга», — объяснил Суреш Нараянан, физик и руководитель группы в APS.
Результаты сдвига дали ценную информацию об изменении свойств потока и деформаций в этой смеси, содержащей соль. В начале образовались три полосы наночастиц: быстро движущиеся, медленно движущиеся и статические.
Через 15 секунд быстро движущаяся полоса исчезла. Примерно через 40 секунд три полосы вернулись. Эти результаты находятся за пределами досягаемости современных методов анализа и знаменуют собой большой шаг вперед для анализа XPCS, относящегося ко многим различным типам мягкой материи.
«Эта разработка XPCS очень своевременна для будущих работ из-за значительного увеличения яркости пучка с обновлением APS», — сказал Нараянан. «Более того, она имеет потенциал для изучения природных явлений, таких как оползни, землетрясения и рост бляшек в артериях. Понимание этих колебаний потока в наномасштабе может помочь предсказать будущие изменения в более крупном масштабе».
Текущий процесс обновления APS включает совершенно новый набор каналов пучка в 8-ID, предназначенных для XPCS. Новые каналы пучка будут использовать улучшенный рентгеновский пучок для улучшения исследований XPCS в будущем. Ожидается, что новые эксперименты начнутся на модернизированном APS позднее в 2024 году.
Команда использовала Центр наноматериалов, еще один объект пользователя Управления науки Министерства энергетики США в Аргонне, для изучения частиц в солевом растворе.
Дополнительная информация: ХонгРуй Хе и др., Подход с использованием коэффициента переноса для изучения неравновесной динамики в мягкой материи, Труды Национальной академии наук (2024). DOI: 10.1073/pnas.2401162121
Информация о журнале: Труды Национальной академии наук
Предоставлено Аргоннской национальной лабораторией
