Des tiges de Janus présentant les mêmes caractéristiques de surface, à l’exception de la géométrie du revêtement, sont représentées. Les particules ont des orientations complètement différentes, ce qui implique qu’elles ont également des propriétés mécaniques différentes pour l’interface globale. Crédit : Giovanniantonio Natale
La diffusion interfaciale des nanoparticules est fortement affectée par leur forme et leur revêtement de surface.
Du nom d’un dieu romain, les particules de Janus désignent les nanoparticules dont les surfaces possèdent deux ou plusieurs propriétés physico-chimiques distinctes.
Ces nanoparticules particulières ont été présentées à la communauté scientifique par le lauréat du prix Nobel de 1991, Pierre-Gilles de Gennes, qui a souligné que “les objets ayant deux faces de mouillabilité différente ont l’avantage unique de s’auto-assembler de manière dense aux interfaces liquide-liquide” et, par conséquent, de générer de nouvelles structures colloïdales.
L’asymétrie chimique qui en résulte a conduit à la découverte de propriétés moléculaires nouvelles et inhabituelles, rendant les particules de Janus pertinentes pour une large gamme d’applications, de la biomédecine aux textiles hydrofuges en passant par la fabrication de membranes aux propriétés modulables.
Sur Physique des fluidespar AIP Publishing, des chercheurs de l’Université de Calgary, dans l’Alberta, au Canada, utilisent des simulations de dynamique des particules dissipatives (DPD) pour examiner la diffusion translationnelle de nanoparticules Janus à l’interface entre deux fluides non miscibles, incapables de se mélanger ou d’atteindre l’homogénéité.
En se concentrant sur un groupe de particules sphériques utilisé pour créer un corps rigide de tiges de Janus, les simulations mettent en lumière le comportement dynamique des nanoparticules, avec des revêtements de surface et des tailles variables, à une interface eau-huile. Les travaux révèlent une forte influence de leur forme sur leur orientation à l’interface ainsi que sur leur mobilité.
“En conséquence, ces réponses individuelles variables modifient la tension interfaciale du système entier, ce qui a un impact sur la rhéologie et, par conséquent, sur les schémas de traitement”, a déclaré le co-auteur Giovanniantonio Natale.
Natale et ses collègues décrivent un effet de “basculement et de culbute” dû à la présence de minima énergétiques locaux à l’interface, un effet qui varie en fonction du rapport d’aspect des tiges de Janus et de la couverture de surface de leurs revêtements.
Il est démontré que la tension interfaciale diminue avec l’augmentation du rapport d’aspect lorsque les particules passent d’une position verticale à une orientation inclinée. La tension diminue lorsque les revêtements sont horizontaux plutôt que verticaux, car les particules sont plus stabilisées dans leur orientation.
En théorie, ces résultats impliquent que les caractéristiques géométriques des particules Janus peuvent être modifiées sans que la chimie de leur surface ne soit altérée pour produire des émulsions stables ou instables.
Dans l’ensemble, ce travail fournit des informations importantes et fondamentales sur la dynamique et l’auto-assemblage des particules browniennes anisotropes aux interfaces, ce qui peut mieux informer la conception et la fabrication d’interfaces techniques.
“De plus, nous pouvons utiliser nos simulations DPD pour optimiser les systèmes à l’échelle nanométrique, où la réalisation et la caractérisation des expériences sont souvent extrêmement difficiles et longues”, a déclaré Natale.
Référence : “Dynamics of Brownian Janus rods at a liquid-liquid interface” par Mohammad T. Hossain, Ian D. Gates et Giovanniantonio Natale, 25 janvier 2022, Physique des fluides.
DOI : 10.1063/5.0076148
