Karakterisering av trombocyternas storlek och orientering i nematisk LC. SEM-mikrofotografier av blodplättar före (A) och efter (B) SiO2-beläggning. (C) TEM-mikrofotografi av partiklar. Insättningen visar SiO2-skiktet, synlig vid blodplättens kant som en tunn grå rand. (D) Schematisk över trombocyterna som visar en kärna, SiO2-beläggning, och Si-PEG-skikt. (E till H) Optiska mikrofotografier av blodplättar med koniska (E), plana (F och G), och vinkelrät (H) ytförankring under korsad polarisator P och analysator A utan (vänster) och med (höger) en retardationsplatta y i en nematisk cell. (I till L) Schematiska diagram av n(r) (gröna linjer) runt blodplättar med koniska (I och J), plan (K), och vinkelrät (L) förankring. Infällt i (J) är ett schema över koniska degenererade gränsförhållanden. (M till P) Experimentell sekvens av optiska mikrofotografier, med förfluten tid markerad, visar omorientering av blodplättar med plan förankring när ett magnetfält B ≈ 480 G appliceras vinkelrätt mot bildplanen. Insättningar visar scheman av n(r) runt en blodplätt 1 vid s⊥n0||B i (M) och s⊥n0⊥B i (P). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax4257
Flytande kristaller skiljer sig från isotropa vätskor (vätskor med liknande egenskaper i olika riktningar) för att uppvisa mycket anisotropa (varierande egenskaper i olika riktningar) interaktioner med ytor. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Haridas Mundoor och ett tvärvetenskapligt forskarteam på avdelningarna för fysik och mjukmaterialforskning, elektrisk, dator- och energiteknik i USA, kontrollerade ytinriktningen av nematiska molekyler (starka spridare av ljus på grund av termiska fluktuationer i flytande kristaller). Genom att kontrollera joninnehållet, forskarna ställde in orienteringarna för den formanisotropa, blodplättsliknande partiklar. Den resulterande anisotropa, elastiska och elektrostatiska interaktioner underlättade kolloidala kristaller med omkonfigurerbara symmetrier och orienteringar. De utnyttjade de konkurrerande anpassningseffekterna av ytfunktionalisering och det elektriska fältet som uppstod på grund av experimentell ytladdning och bulkmotjoner i installationen.
Flytande kristaller (LC) har hittat tillämpningar från ljusskärmar till biomedicinska sensorer, på grund av deras anisotropa ytinteraktioner. Sådana ytinteraktioner kan definiera randvillkor för molekyler på partikelytor, gör det möjligt för forskare att slutligen bestämma defekter och interaktioner som induceras under grundläggande studier av LC-kolloider. För formanisotropa partiklar, kolloidala sammansättningar och faser som starkt beror på dessa gränsförhållanden varierade från plana till lutande och vinkelräta orienteringar. För att bestämma ytorientering i LC:s direktörsfält, forskare använder i allmänhet den anisotropa delen av ytfri energi, känd som "förankringsenergin." För en given LC, forskare kan kontrollera förankringsenergin med hjälp av kemiska eller topografiska modifieringar, mekanisk gnidning eller fotojusteringstekniker. Begränsad kontroll av ytförankring kan hindra användningen av LC i kolloidal montering och tekniska applikationer.
I detta arbete, Mundoor et al. rapporterade jonernas inverkan på ytförankringsegenskaper och definierade beteendet hos anisotropa kolloider dispergerade i en nematisk flytande kristall. Forskarna kontrollerade joninnehållet i LC för att demonstrera en systematisk variation av randvillkor. De visade sedan hur jämviktsorienteringarna av laddade kolloidala partiklar förändrades i förhållande till fjärrfältsriktningen och demonstrerade den efterföljande självmonteringen av kolloidala arrayer med olika kristallografiska symmetrier.
Mätning av lutningsvinkel. (A) Textur av en nematisk LC-cell med substrat täckta med blodplättar, med konisk ytförankring orsakad av ytladdning; insättningen visar n(r) runt halvheltalsdisklinationer kopplade av en ytväggsdefekt, indikerar koniska randvillkor. (B) Motsvarande schematisk över LC-inriktning med regissören lutad mot ytan normal s. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax4257
Forskargruppen syntetiserade blodplättsformad β-NaYF 4 :Yb/Er mikrokristaller med användning av en modifierad hydrotermisk metod. De optimerade den kemiska syntesen för att ge cirkulära blodplättar med en genomsnittlig diameter på 2 µm och en tjocklek på 20 nm, vilket de bekräftade med svepelektronmikroskopi (SEM). När forskarna exciterade blodplättarna med en 980 nm infraröd laser, partiklarna visade luminescensuppkonvertering. Forskarna behandlade sedan partiklarna kemiskt för ytladdning, belagd med 5 nm tjock kiseldioxid och funktionaliserad med metoxisilan polyetylenglykol.
Teamet dispergerade de kiseldioxidförsedda partiklarna i 4-cyano-4'-pentylbifenyl (5 CB) flytande kristaller genom att blanda den med en utspädd kolloidal dispersion i etanol, följt av lösningsmedelsavdunstning vid 70°C 0 C i 2 timmar. De kylde sedan ner partiklarna till den nematiska fasen under snabb mekanisk omrörning. Mundoor et al. infiltrerade de efterföljande kolloidala dispersionerna i 30 µm tjocka glasceller och förseglade dem med ett snabbhärdande epoxilim. De främjade de plana gränsförhållandena genom att belägga glascellernas inre ytor med polyvinylalkohol, följt av att studera spridningen och inriktningen av partiklar i LC med hjälp av optisk mikroskopi. De studerade de polariserande optiska mikrofotografierna för att avslöja konfigurationer av partiklarna i olika orienteringar såväl som blodplättarnas svar på elektriska och magnetiska fält i LC och isotropa medier.
Karakterisering av translationell och rotationsdiffusion av blodplättar. Translationell (A till D) och roterande (E till G) diffusion av blodplättar i en nematisk LC. (A till C) Dt för en blodplätt med (A) vinkelrät, (B) plan, och (C) koniska gränsförhållanden i en plan cell med n0 i planet; svarta och röda streckade linjer i (C) visar en normal till blodplätten och en riktning för maximala förskjutningar, respektive. Magnetfält B ≈ 480 G i (B) och (C) håller riktningen av trombocyternas orientering parallellt med synfältet. (D) Dt av en blodplätt med plan yta förankring i en homeotrop cell; röda och blå plots visar Dt med avseende på cell- och partikelkoordinatramarna, respektive. Insatta mikrofotografier i (A) till (D) visar de faktiska blodplättarna som genomgår diffusion. (E) Orienteringsfluktuationer δθ för en lutad blodplätt i (C) med avseende på dess föredragna orientering θe mot tiden t erhållen vid τ =67 ms. (F) Histogram över vinkelförskjutningar Δθ och Δβ erhållna vid τ =67 ms, respektive, i plana och homeotropa celler. De solida blå och gröna linjerna är Gaussiska passformar. (G) Vinkelmedelkvadratförskjutning 〈Δθ2〉 mot eftersläpningstid τ i en plan cell. En heldragen röd linje är en passning av experimentella data (svarta fyllda cirklar) med 〈Δθ2(τ)〉. (H) Histogram av trombocytorientering erhållen vid τ =67 ms under ~10 min. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax4257
Forskarna bildade sedan en experimentell cell med hjälp av två glassubstrat med täta lager av blodplättar belagda på deras inre ytor. Med hjälp av experimentinställningen, de mätte den optiska fasfördröjningen av dessa celler för att avslöja en 49-graders lutning i förhållande till substrat, som teamet ytterligare kunde kontrollera via jondopning inom systemet. Forskarna kontrollerade elektrostatiskt gränsförhållandena på begränsande cellytor genom att belägga dem med blodplättar eller genom att använda substratmaterial med avstämbar ytladdning.
Effekt av joninnehåll i LC-medium. (A) Schematiskt diagram av LC-inriktningen (en ellipsoid) vid ytan (blå); ep, eef, och elc visar de lätta axlarna som bestäms av interaktioner med polymerkåpan, elektrostatiska interaktioner, och LC-anpassningen till följd av deras konkurrens, respektive. Φ är en elektrisk potential som varierar över dubbelskiktets tjocklek, och r är ett avstånd från blodplättsytan. En röd pil visar riktningen för EDL. Positiva och negativa laddningar visas med gröna och gula fyllda cirklar, respektive. Insättningarna på höger sida visar schematiskt tätheten av en positiv laddning (gröna sfärer) vid trombocytytan i köpt och dopat 5CB. (B till D) Orienteringsfördelningar för trombocyter i en plan cell när den är dispergerad i ren 5CB (B) och saltdopad 5CB för NaCl-koncentrationer på 1 nmol/ml (C) och 0,1 nmol/ml (D). Insättningar i (B) och (C) är optiska mikrofotografier av trombocyter vid orientering, lutad och parallell med n0 i respektive LC-media. (E) Förändring av θ med tiden för en blodplätt i ren 5CB på grund av absorption av joner från atmosfären. (F) Fördelningar av trombocytorientering som visar diskreta steg i vinkeln θ. Den röda linjen är en Gaussisk passning av den centrala delen av en fördelning som visas i (E) som motsvarar det avslutade steget under ändringen av orienteringen. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax4257
Partikeldiffusion i systemet berodde på samspelet mellan LC:s anisotropa viskoelastiska egenskaper och formanisotropin hos de orienterade partiklarna. Till exempel, trombocyterna med vinkelräta eller plana gränsförhållanden förvrängde LC:s direktör för att bilda elastiska kvadrupoler inbäddade i en enhetlig bakgrund. Forskargruppen använde videomikroskopisk spårning av trombocytens position för att bestämma diffusionskoefficienter. Forskarna observerade starkare diffusionsanisotropi för partiklar med vinkelrät förankring, där formanisotropi påverkade diffusionen av partiklar.
Doping med joniska tillsatser som NaCl fick motjoner (som bibehåller elektrisk neutralitet) att adsorberas på partikelytorna, vilket effektivt minskade ytladdningen och styrkan hos det elektriska fältet (E DL ). Vid dopning, blodplättarna omorienterades också stegvis med tiden från deras ursprungliga inriktning på grund av förändrade ytladdningar. Till exempel, trombocyterna omformas gradvis från diskreta riktningar under flera hundra sekunder, innan du hoppar till nästa orientering. Den detaljerade mekanismen för motjonadsorption under processen återstår att förstå och förklara ytterligare genom ytterligare studier.
Självmonterat kolloidalt gitter bildat av blodplättar. (A) Uppkonvertering luminescens konfokal bild och (B) schematisk av ett självmonterat kolloidalt gitter av laddade blodplättar med vinkelrät förankring i en plan cell. De uppmätta (definierade på schemat) parametrar för det rombiska gittret:a =b ≈ 3 μm, ϕ ≈ 100°. (C och D) Schema av 2D-sammansättningar i en nematisk LC för blodplättar med lutande (C) och plana (D) gränsvillkor. Insättningar i (C) och (D) visar de experimentella fragmenten av motsvarande sammansättningar, där θe ≈ 34°, a ≈ 2,1 μm, b ≈ 3,7 μm, och ϕ ≈ 56° i (C) och θe ≈ 0°, a =b ≈ 2,5 μm, och ϕ ≈ 68° i (D). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax4257
Mundoor et al. observerade att blodplättarna bildade kristallina sammansättningar vid höga koncentrationer på grund av konkurrerande elastiska och oelastiska interaktioner. Resultaten visade potential att designa kolloidala kristaller med kristallografi som kan avstämmas med jondopning, där tillsatsen av salt förändrade självmonteringen. Blodplättar med hög laddning (+300e) visade homeotrop förankring och bildade ett rombiskt gitter. När laddningen minskade till +100e, de antog jonisk förankring och lutning för att montera ihop till ett snett galler med olika parametrar. När blodplättarna med den lägsta +20e laddningen och plan förankring inriktade sig vinkelrätt mot cellsubstraten bildade de ett rombiskt gitter. Mundoor et al. kan magnetiskt och elektriskt omkonfigurera de tvådimensionella (2D) gittren inom de kristallografiska planen parallella med cellsubstraten för att ge olika 3D-kristaller. Sådana 3D-kristaller kan justeras ytterligare genom att ställa in blodplättsorienteringarna och genom att elektrostatiskt variera utrymmet mellan de kristallografiska planen i framtida arbete.
På det här sättet, Haridas Mundoor och medarbetare kontrollerade den fria förankringsenergin och gränsförhållandena på kolloidala partiklar och de begränsande ytorna av flytande kristaller (LC) genom att justera ytladdningar och genom att ändra koncentrationen av joniska dopmedel. Arbetet gjorde det möjligt för dem att kontrollera LC-inriktningen med avseende på begränsande ytor och styra orienteringen av anisotropa kolloidala partiklar som blodplättar, med hänsyn till den enhetliga fjärrfältsbakgrunden. Forskarna siktar på att genomföra ytterligare studier om hur topologiska defekter på partikelytor och i LC-bulken, skulle kunna förmedla absorptionen av motjoner. De kommer också att undersöka hur inhomogena elektrostatiska dubbelskikt kan genereras från den anisotropa naturen hos LC i framtida arbete.
© 2019 Science X Network
