I tidigare tidningar, Fysiker från University of Pennsylvania undersökte "kaffe ringeffekten, "den ringformade fläcken av partiklar kvar efter att kaffedroppar avdunstat. I ett papper, de lärde sig att ångra denna effekt genom att ändra partikelform. Nu, i en ny artikel publicerad i Naturkommunikation , de har avslöjat det komplexa och anmärkningsvärt annorlunda beteendet som uppstår i en flytande kristalldroppe som torkar.

Forskningen, utförs i samarbete med forskare vid Lehigh University och Swarthmore College, avslöjar nya beteendeegenskaper hos flytande kristaller, vätskor med inriktade faser av bestående molekyler. Bildandet av olika faser under torkning leder till dramatiskt olika vätskerörelser och fast avsättning och ger också insikt som behövs för kontroll av torklösningar av makromolekyler som förekommer i många färgämnen och farmaceutiska formuleringar.

Penn alumn Zoey Davidson, nu postdoc vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Tyskland, hade experimenterat med Sunset Yellow, ett färgämne som ger Doritos och orange läsk sina ljusa färger, när han av misstag spillde ut en del av materialet.

"Jag märkte att spillmönstret som droppen efterlämnade liknade kaffemönster vi hade studerat tidigare, men det fanns också skillnader, "Sa Davidson." Torkdropparna hade en makroskopiskt synlig inre struktur, för."

Davidson, tillsammans med Arjun Yodh, chef för Laboratory for Research on the Structure of Matter and James M. Skinner professor i naturvetenskap vid Institutionen för fysik och astronomi vid School of Arts &Sciences i Penn, och Peter Collings från Swarthmore, adjungerad professor vid Penn, bestämde sig sedan för att undersöka detta på ett mer kontrollerat sätt. Penn professor Randall Kamien, grundexamen alumnus Adam Gross och postdocs Angel Martinez och Tim Still bidrog också till studien. Gruppen samarbetade med Chao Zhou från Lehigh och hans doktorand. student Yongyang Huang.

Till skillnad från partiklarna i en kaffedroppe, flytande kristalldroppen de studerade var en lösning av Sunset Yellow-molekyler som spontant kombineras för att bilda stavliknande makromolekylära sammansättningar, liknande hur stavliknande molekyler ordnar sig för att bilda de flytande kristallerna som används i LCD-skärmar.

"Flytande kristaller är en fas av materia, "Collings sa, "precis som det mer välkända fastämnet, vätske- och gasfaser. De är vätskor, vilket innebär att de tar formen av sin behållare, men till skillnad från vätskor finns det en viss ordning bland beståndsdelarna som utgör ämnet. Så, även om beståndsdelarna sprider sig ungefär som vad som händer i vätskor, de upprätthåller en viss orienterings- och ibland positionell ordning. "

Medan de flytande kristallerna som används i LCD -skärmar, kallas termotropa flytande kristaller, är gjorda av molekyler utan att något annat läggs till, de flytande kristallerna som användes i detta experiment var kromiska flytande kristaller. Kromiska flytande kristaller består av sammansättningar av molekyler spridda i flytande vatten.

Under torkning, solnedgångens gula koncentration varierade inom droppen, och mikroskopbilder avslöjade bildandet av olika vätskefaser såsom den isotropa vätskan (slumpmässigt), flytande kristall nematiska (inriktade) och flytande kristallkolumnära (cylindriskt packade) faser som segregerar till olika delar av droppen.

"När du tittar på droppen över tiden, "Sa Yodh, "det är inte enhetligt; det har mycket struktur."

Den centrala delen av droppen var isotrop, och den omgavs av den inriktade nematiska fasen. Gränsen mellan de två faserna rörde sig mot mitten när droppen torkade, och sedan dök andra regioner med olika strukturer upp, såsom kolumn- och kristallfaserna.

"Det är ett kvalitativt hopp att gå från en droppe som är en fas som bara blir mer koncentrerad, "Sa Yodh, "till en droppe som kan förändras i flera olika faser beroende på koncentration. De olika faserna segregerar och påverkar viskositeten och konvektionen i olika delar av droppen."

De märkte ovanlig dynamik i torkprocessen men hade svårt att urskilja dessa processer med enkla mikroskopier. Således gick de ihop med Zhou och Huang för att använda optisk koherensmikroskopi för att spåra flödet inuti dropparna. Det nya mikroskopet avslöjade cirkulära flödesmönster, eller Marangoni -strömmar, cirkulerar i en riktning motsatt den som ses i andra lösningar. Denna cirkulationsanomali berodde på de ovanliga ytspänningsegenskaperna hos Sunset Yellow.

Eftersom förångning sker snabbast vid en ytterkant i en torkande droppe kaffe, fast material inuti droppen transporteras från droppens mitt till ytterkanten, att få med sig fler och fler kaffekorn.

"Dessa kaffekorn ackumuleras vid kanten, "Collings sa, "och efter droppen har torkat helt fint, en mörk ring av kaffepartiklar resulterar. "

I slutet, avsättning från den torkande flytande kristalldroppen var inte ringliknande eller enhetlig.

"I många fall, "Collings sa, "förekomsten av flytande kristallfaser höjer viskositeten och sänker hastigheten materialet rör sig vid, så den slutliga formen ser ut som en vulkan eller nedsänkt souffle. "

Även om det har gjorts andra undersökningar där flera faser uppstår vid torkning och avdunstning av droppar, särskilt nära fallkanten, detta är första gången forskare har undersökt flera flytande kristallfaser och förstått hur viskoelastiska effekter och andra egenskaper hos flytande kristaller påverkar det slutliga torkningsavsättningsmönstret.

"Vi driver en gräns, "sa Jod, "Vi vet att många system faktiskt kan ha dessa egenskaper, och denna forskning är viktig om du vill förstå vad de ska göra. "

Många tekniker är beroende av att materialet deponeras på ett exakt sätt genom avdunstning av ett lösningsmedel. Eftersom flytande kristallliknande faser är vanliga bland färgämnen och läkemedel, denna forskning kan ha potentiella tillämpningar.

"Man behöver bara tänka på bläckstråleskrivning, "Collings sa, "att förverkliga ett extremt vanligt och användbart exempel. Om sådana processer involverar ämnen som bildar flytande kristallfaser, som många färgämnen och droger gör, då kommer förståelsen som erhålls genom våra experiment att vara viktig för att uppnå de resultat som önskas. "

Men mycket av vikten av detta arbete ligger inom grundvetenskapens område.

"Vår nyfunna förståelse för hur droppar av en annan materialklass torkar, "Collings sa, "styrker vissa begrepp som utvecklats tidigare men utvidgar också vår kunskap till områden där beteendet är annorlunda."

Forskarna hoppas kunna följa upp några av de intressanta observationer de gjort om strukturerna som bildas när materialet torkar.

"Materialmönstren som bildas, "Sa Yodh, "påverkas både av traditionell jämviktstermodynamik och av vätskekonvektion och nya strukturer med nya låsta topologier bildas som ett resultat."

Att kunna kontrollera detta fenomen vore ett spännande nästa steg.

"Det är det roliga med att se färgen torka, "Sa Davidson." Det är faktiskt allt det här häftiga som händer inne i droppen. "