Химики перепаяли коллоидный раствор циклодекстрина в нужную форму

Китайские ученые изучили взаимодействие наночастиц циклодекстрина и бензил-поли-L-молочной кислоты на границе раздела вода-толуол. Это позволило придать каплям форму китайского иероглифа, нарезать капли на несколько частей и спаять капли между собой без потери первоначальной формы путем нагрева до 70 градусов Цельсия. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials.

Жидкость из нескольких капелек собирается в крупные сферические капли, чтобы снизить общую площадь поверхности и, соответственно, энергию поверхностного натяжения. Однако существуют структурированные жидкости, нарушающие это правило. Один из методов их получения подразумевает использование наночастиц поверхностно-активных веществ, которые формируют сильную связь с поверхностью подложки, например, за счет электростатического взаимодействия или образования структур хозяин-гость. При этом связь между каплей и поверхностью становится гораздо выше, чем связь между отдельными каплями, что позволяет стабилизировать неравновесные формы жидкости. Такое свойство полезно для микрофлюидики или при создании мягких роботов.

Новый шаг в этой области сделала группа ученых под руководством Шаовэй Ши (Shaowei Shi) из Пекинского университета химической технологии. Они синтезировали несколько коллоидных растворов с помощью радикальной полимеризации с переносом атома из трет-бутилового акрилата на макроинициаторах циклодекстрина нескольких конфигураций, после чего подвергли наночастицы гидролизу с образованием гидрофильной полиакриловой кислоты. Бензил-поли-L-молочную кислоту авторы получили с помощью полимеризации с раскрытием кольца L-молочной кислоты посредством инициации бензиловым спиртом. Наночастицы циклодекстрина помещали в водный раствор, тогда как бензил-полимолочная кислота находилась в растворе толуола.

Ключевая особенность такой системы — температурное управление системой. Авторы продемонстрировали, что в зависимости от типа циклодекстрина (альфа, бета и гамма) меняется его связь с бензил-полимолочной кислотой, что позволяет подобрать нужные свойства, такие как жесткость поверхности и пропускную способность. При комнатной температуре наночастицы адсорбируются на поверхности и формируют плотный слой, что и позволяет зафиксировать каплю жидкости в необычной форме, например, в виде букв или узоров. Повышение же температуры приводит к ослаблению связывания и при преодолении критической температуры поверхностный слой разрушается и вода принимает равновесную сферическую форму. Этот процесс в какой-то мере похож на переход из стеклообразного состояния в вязко-текучее.

Ученые изучили динамику взаимодействия капель между собой: наиболее оптимальным параметром связывания обладает бета-конфигурация, тогда как альфа — слишком мала, а гамма — слишком велика для эффективного связывания хозяин-гость. Капли с бета-конфигурацией циклодекстрина не слипались в одну каплю даже при приложении нагрузки, тогда как альфа и гамма разделялись на маленькую и большую капли. Но при этом если капли нагреть, то произойдет «сварка» и формирование единой капли без потери узора первоначальных капель.

Используя эту технику, авторам удалось нарисовать с помощью капель сложные узоры (например, силуэт Микки Мауса). Но для практической пользы авторы продемонстрировали полностью жидкий реактор — в нем с помощью надрезов и нагревов можно переключать каналы, по которым течет краситель.

Эмульсии наночастиц на основе бета-циклодекстрина сохраняют свойства на протяжении одного месяца без изменения формы, тогда как альфа- и гамма-циклодекстриновые образцы теряют форму уже через три дня. Это связано с более низкой критической температурой перехода: у бета — 70 градусов по Цельсию, а у альфа и гамма — 50. Процессы нагрева и охлаждения никак не влияют на состав смеси — а потому придавать форму таким жидкостям можно неограниченное число раз.

Жидкостные реакторы привлекает ученых неспроста. Так, немецкие химики обнаружили, что многие фотохимические реакции образования связей углерод—гетероатом протекают в воде гораздо быстрее.