Bipolära LC-mikropartiklar, experiment, och teoretiska förutsägelser. Representativa (A) ljusfälts- och (B) polariserade ljusmikrofotografier (dubbelhövdade pilar visar orienteringen av polarisatorer) av en polymeriserad bipolär LC-mikropartikel. (C) Illustration av den interna ordningen av mikropartikeln i (A) och (B). (D) Fluorescensmikrofotografi av en polymeriserad bipolär mikropartikel i närvaro av sond PS-kolloider men ingen tillsatt NaCl och (E, färgad) i närvaro av sondkolloider och 10 mM vattenhaltig NaCl. Orange rutor markerar platsen för fyra adsorberade sondkolloider i fokus. (E) Infälld:Uppslagstabell (LUT) för det färgade fluorescensmikrofotografiet (ImageJ, "Union Jack"). (F) Ytområden för mikropartiklar som används för att klassificera sondkolloidplatser på ytorna av polymeriserade bipolära mikropartiklar. (G) Blå staplar:Normaliserade ytdensiteter av sondkolloider mätt för att adsorbera på ytorna av polymeriserade bipolära mikropartiklar. De bipolära mikropartikeldata beräknades från 11 oberoende experiment, med 84 polymeriserade LC-mikropartiklar och 952 sondkolloider adsorberade på ytorna av dessa mikropartiklar. Felstaplarna är 95 % konfidensintervall på medelvärdena för de 84 mikropartiklarna. (stjärnor och cirklar) Teoretiska förutsägelser av adsorberade kolloiddensiteter på ytorna av bipolära mikropartiklar, med indikerad tangentiell förankringshållfasthet. De vita enkelhuvudena pilarna på mikrofotografier indikerar var ytdefekterna finns. Skala staplar, 15 μm (λex =505 nm, Xem =515 nm). Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abb1327
Mångsidiga tillvägagångssätt för att konstruera asymmetriska van der Waals-interaktioner kan utöka paletten av materialutveckling genom konstruktionsprocesser nerifrån och upp. I en ny studie, HA. Fuster och ett forskarteam inom kemi- och biologisk teknik, och matematik vid University of Wisconsin-Madison, Wisconsin, och Cornell University New York, U.S., demonstrerade polymerisationen av flytande kristaller (LC) för att programmera van der Waals-interaktioner. De utförde experimenten med en kinetiskt kontrollerad probekolloidadsorptionsprocess och genomförde kompletterande beräkningar för att indikera att LC-beställning kunde programmera van der Waals-interaktioner över mikropartiklars ytor. De konstruerade de olika LC-konfigurationerna genom inneslutning för att ge nya idéer för att programmera van der Waals-interaktioner, att sätta ihop mjuk materia. Resultaten publiceras nu på Vetenskapens framsteg .
Sammansättningen av partiklar till kluster och nätverk ligger till grund för bildandet av olika former av mjukt material inklusive skum, emulsioner, och tunnfilmsbeläggningar. Medan de flesta studier tidigare hade fokuserat på material som bildats genom interpartikelinteraktioner, nyare studier har gått vidare till att designa mjuka material via en bottom-up-samling av partiklar som kodar för anisotropa interpartikelinteraktioner. Van der Waals interaktioner är allestädes närvarande i alla partikelsystem och representerar ett annat lovande tillvägagångssätt för att programmera sammansättningen av mjuk materia. I denna rapport, Fuster et al utforskade ett tillvägagångssätt för att kontrollera symmetrin av van der Waals-interaktioner i partikelsystem baserat på syntesen av polymera mikropartiklar från flytande kristaller (LC). De beskrev hur de sammansatta homogena och sfäriska polymera mikropartiklarna har väldefinierade mönster av orienteringsordning för att koda van der Waals-interaktioner med komplexa symmetrier.
Manipulera flytande kristaller (LC) inneslutna i mikroskaliga domäner.
Fluorescensmikroskopi karakterisering av mikropartiklar. Färgade fluorescensmikrofotografier av bipolära (översta raden) och radiella (nedre raden) mikropartiklar med adsorberade sondkolloider. Bildraderna erhölls genom att flytta mikroskopets fokalplan i z-riktningen. Vita pilar indikerar platsen för ytdefekterna på den bipolära mikropartikeln. Orange rutor indikerar platsen för sondkolloider när de hamnar i fokus i bildplanet. Den bipolära mikropartikeln är 38 µm i diameter och den radiella mikropartikeln är 28 µm i diameter. (Infogad) LUT för färgskiftningen (ImageJ, 'Union Jack'). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb1327
Teamet polymeriserade LC (flytande kristall) mikrodroppar framställda som olja-i-vatten-emulsioner för att demonstrera hur den interna orienteringsordningen kan ställa in den rumsliga variationen av van der Waals-interaktioner över mikropartiklars ytor. De undersökte dessa interaktioner med en mikronstor polystyren (PS) kolloid. Van der Waals interaktioner inkluderar kollektivt dipol-dipol (Keesom), dipolinducerad dipol (Keesom), dipol-inducerad dipol (Debye) och momentana dipol-inducerade dipol (London) interaktioner. Interaktionerna kan beräknas med hjälp av Lifshitz-teorin genom lågfrekventa och högfrekventa komponenter i den dielektriska svarsfunktionen i förhållande till de ingående materialen. Fuster et al använde LCs för att syntetisera mikropartiklar med önskad inre orienteringsordning och använde den interna konfigurationen för att programmera komplexa men förutsägbara rumsliga mönster av van der Waals-interaktioner. Resultaten och beräkningarna visade hur LCs gav grunden till ett mångsidigt tillvägagångssätt för att programmera van der Waals-interaktioner, liknande de konventionella monteringsprocesserna nerifrån och upp inom materialvetenskap.
Tidigare studier hade rapporterat en anmärkningsvärt mångsidig uppsättning av organisering av LCs i mikrodroppar, som inkluderar kirala och akirala LCs bildade från organiska och vattenhaltiga faser. Teamet undersökte först akirala LCs bildade via flera olika kemiska blandningar i detta arbete, där föreningarna hade anisotropa dielektriska svarsfunktioner. Teamet spred sedan LC-blandningen i glycerol och bildade mikronstora LC-droppar med en bipolär konfiguration. De polymera mikropartiklarna bevarade den bipolära konfigurationen av LC-droppar från vilka de bildades efter fotopolymerisation, vilket bekräftades med ljusfältsmikrofotografier och polariserat ljus. Forskarna kartlade sedan den rumsliga variationen av van der Waals-interaktioner över ytor av polymeriserade bipolära mikropartiklar genom att reversibelt adsorbera polystyrenprobkolloider (1 µm diameter) på sådana mikropartikelytor.
Undersöker van der Waals interaktioner mellan sondens kolloider och mikropartiklar.
Radiella LC och isotropa mikropartiklar och deras karakterisering. Representativa (A och D) ljusfälts- och (B och E) polariserade ljusmikrofotografier (dubbelhövdade pilar visar orienteringen av polarisatorer) av en polymeriserad radiell LC (A och B) och isotropisk (D och E) mikropartikel. (C och F) Illustrationer av den interna ordningen av mikropartiklarna i (A) och (B) och (D) och (E), respektive. (G) Staplar:Normaliserad ytdensitet av PS-sondkolloider adsorberade på ytorna av polymeriserade radiella LC (orange) och isotropa (grå) mikropartiklar. Radiella mikropartikeldata beräknades från 12 oberoende experiment, med 132 polymeriserade LC-mikropartiklar och 503 adsorberade sondkolloider. Data för isotropa mikropartiklar beräknades från 20 oberoende experiment med 179 polymeriserade mikropartiklar och 521 adsorberade sondkolloider. Felstaplarna är 95 % konfidensintervall på medelvärdena för de 132 radiella LC och 179 isotropa mikropartiklarna. Den horisontella streckade linjen motsvarar en enhetlig adsorptionsdensitet över alla ytområden. Skala staplar, 15 μm. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb1327
De tolkade de experimentella observationerna i förhållande till van der Waals interaktioner mellan sondkolloiderna och LC-mikropartiklar. Till exempel, teamet kvantifierade fördelningen av sondkolloider adsorberade på ytor av bipolära mikropartiklar i närvaro av saltvatten, där antalet ökade med tiden i en kinetiskt kontrollerad aggregationsprocess. För kontrollexperiment, de upprepade metoderna med användning av LC (flytande kristall) mikropartiklar polymeriserade i radiell konfiguration. Baserat på resultaten, Fuster et al antog att mönstringen av sondkolloider på bipolära mikropartiklar uppstod från van der Waals-interaktioner som kodades genom orienteringsordning av molekyler inom de bipolära mikropartiklarna. De stödde hypotesen med beräkningar för att indikera att orienteringen av LCs inom mikropartiklar kunde användas för att koda tillräckligt stora variationer i van der Waals-interaktioner, möjliggör direkt montering nerifrån och upp av mjukmaterialsystem.
Teoretiska förutsägelser av bipolär LC-mikropartikels inre ordning och attraktiva interaktionsenergier. (A till C) Direktörprofiler i x-z-planet för en bipolär LC-mikropartikel beräknade numeriskt för tangentiella ytförankringsenergier på 64,5 μN/m (A), 6,2 μN/m (B), och 0,6 μN/m (C). (D och E) Attraktiv interaktionsenergi beräknad med ekv. 1 härledd i studien antingen genom att (heldragna linjer) integrera övergripande volymelement av en bipolär mikropartikel med mellanliggande (W =6,2 μN/m) tangentiell förankring eller genom (streckade linjer) approximera LC-ordning vid ytan närmast sondkolloiden som representativ för hela volymen, vid olika infallsvinklar (β) vid en yta-till-yta-separation, d, på 3 nm (D) och vid olika yta-till-yta-separationer ovanför polen (β =0°) (E). (D) Infälld:Illustration som visar infallsvinkeln, β. (E) Infälld:Illustration som visar platsen för sondkolloiden när yta-till-yta-separationen varieras. (F) Beräknad genomsnittlig regissörsvinkel, αeff, provtas av en sondkolloid som en funktion av β och en separation på 10 nm från ytan av den bipolära mikropartikeln. (heldragna linjer) Resultat visas för ytförankringsenergier på 64,5 μN/m (orange), 6,2 μN/m (blå), och 0,6 μN/m (guld). Motsvarande effektiva Hamaker-konstant för interaktionsenergier beräknad enligt Ekv. 1 (streckade linjer) för ytförankringsenergier på 64,5 μN/m (röd), 6,2 μN/m (cyan), och 0,6 μN/m (svart) visas också. (F) Infälld:Illustration av LC-ordning nära en sondkolloid och vinkeln, α, mellan en sondkolloid och den lokala LC-direktören. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb1327
Teamet undersökte sedan de teoretiska förutsägelserna av bipolär LC-mikropartikels interna ordning och beräknade deras attraktiva interaktionsenergier. De noterade att van der Waals interaktioner mellan sondkolloiderna och de bipolära mikropartiklarna var starkare vid ekvatorområdet, och överensstämmer med experimentella observationer. Förändringen i dielektrisk respons som upplevdes av en sondkolloid nära en bipolär mikropartikel fungerade som en stark förankringsenergi och van der Waals-interaktioner var särskilt känsliga för sådana ytförankringsenergier.
Fuster et al. studerade sedan nettointeraktionsenergin mellan en sondkolloid och de polymeriserade bipolära mikropartiklarna som summan av attraktiva van der Waals och repulsiva dubbelskiktsinteraktioner. För ytterligare stöd för deras hypotes att van der Waals-interaktioner kan kodas av interna konfigurationer av LC-mikropartiklar, laget förberedde LC-mikropartiklar med dipolär symmetri. De noterade zeta-potentialmätningarna av dessa mikropartiklar för att ge värden liknande de polymeriserade bipolära LC-mikropartiklarna. Baserat på de experimentella resultaten, Fuster et al. bekräftade att manipulering av LC-ordningen inom mikropartiklarna gav ett mångsidigt tillvägagångssätt för mönster av van der Waals-interaktioner över mikropartiklarnas ytor.
Stiftade preradiala LC-mikropartiklar, deras karaktärisering, och teoretiska förutsägelser. Representativa (A) ljusfälts- och (B) polariserade ljusmikrofotografier (dubbelhövdade pilar visar orienteringen av polarisatorer) av en polymeriserad stiftad preradial mikropartikel. (C) Illustration av den interna ordningen av mikropartikeln i (A) och (B). (D) Koordinatsystem som används för att karakterisera platsen för kolloider adsorberade till ytorna av de polymeriserade stiftade preradiala mikropartiklarna. (E) Staplar:Normaliserade ytdensiteter av PS-sondkolloider mätt för att adsorbera på ytorna av polymeriserade stiftade preradiala mikropartiklar. De stiftade preradiala mikropartiklarna beräknades från 46 oberoende experiment med 121 polymeriserade LC-mikropartiklar och 493 adsorberade sondkolloider. Felstaplarna är 95 % konfidensintervall på medelvärdena för de 121 LC-mikropartiklarna. Trianglar:Beräknad kolloiddensitet på stiftade preradiala mikropartiklar, utvärderas med en stark homeotrop förankringsstyrka. De enkelhåriga pilarna på mikrofotografier indikerar var ytdefekterna finns. Skala staplar, 15 μm. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb1327
På det här sättet, HA. Fuster och kollegor karakteriserade anisotropa van der Waals-interaktioner programmerade i mikropartiklar genom att kontrollera den interna LC-ordningen och kvantifiera kinetiskt kontrollerad kolloidadsorption över ytan av LC-mikropartiklarna. Experimenten och stödjande beräkningar visade att den rumsliga variationen av van der Waals-interaktioner över ytorna på LC-mikropartiklar var så stor som 20 K B T. Denna storlek är tillräckligt stor för att konstruera sammansättningen nerifrån och upp av mjuka material. Forskarna tolkade de experimentella observationerna i förhållande till van der Waals interaktioner mellan LC (flytande kristall) mikropartiklar och sondkolloider. Resultaten etablerade grunden för ett allmänt och enkelt tillvägagångssätt för att programmera van der Waals-interaktioner i kolloidala mjukmaterialsystem, eftersom forskarna kunde variera ordningen på LC:er och manipulera dem i en rad experimentella geometrier. Principerna för denna studie kommer att vara tillämpliga på en rad mjuka materialfenomen inklusive vidhäftning och vätande ytor, inklusive bildandet av kolloidala enheter som glasögon, kristaller, och geler.
© 2020 Science X Network
