Oscillerande flöde och ljuspulser kan användas för att skapa omkonfigurerbar arkitektur i flytande kristaller. Materialforskare kan noggrant konstruera samordnade mikrofluidflöden och lokaliserade optotermiska fält för att uppnå kontroll över kärnbildning, tillväxt och form av sådana flytande domäner. I jämförelse, rena vätskor i termodynamisk jämvikt är strukturellt homogena. Experimentellt arbete baserat på teori och simuleringar har visat att om vätskorna hålls i ett kontrollerat tillstånd av obalans, de resulterande strukturerna kan stabiliseras på obestämd tid.

Skulpterade vätskor kan hitta applikationer i mikrofluidiska enheter för att selektivt kapsla in lösta ämnen och partiklar i optiskt aktiva fack för att interagera med yttre stimuli för en mängd olika medicinska, hälsovård och industriella tillämpningar. I en ny studie publicerad i Vetenskapliga framsteg , Tadej Emeršič och medarbetare i Slovenien och USA utvecklade rena nematiska flytande kristaller (NLC), där de dynamiskt manipulerade defekter och omkonfigurerbara tillstånd i materialen genom samtidig tillämpning av flera externa fält.

Fasta material kan uppvisa distinkta strukturfaser samtidigt, en egenskap som kan manipuleras för att konstruera funktionalitet. Dock, i rena vätskor vid jämvikt, sådana strukturella faser som motsvarar spannmålsgränser och defekter uppstår inte. Även om vätskor uppvisar ett antal attraktiva funktioner, inklusive förmågan att blöta ytor, visa höga diffusionskoefficienter och absolut överensstämmelse, det är utmanande att inkludera ytterligare funktioner för vätskor på grund av deras inneboende homogenitet. Komplext beteende observeras i syntetiska och biologiska blandningar med flera komponenter och de resulterande strukturerna är svåra att manipulera eftersom de uppträder i situationer utanför jämvikt. Sådana situationer involverar i allmänhet flera komponenter med skarp blandbarhet och gradienter mellan hydrofila och hydrofoba domäner också.

Forskare har utvecklat aktivt material i form av levande kolonier och bioinspirerade syntetiska motsvarigheter. De skrev ut hydrofoba/hydrofila domäner på flytande blandningar genom att förlita sig på ytaktiva nanopartiklar och kontrollerade icke-jämviktssystem för att demonstrera rörelse och övergång mellan olika reologiska regimer. Flytande kristaller (LC) är ett idealiskt system för att studera fenomen av intresse, som spontan symmetri brytning, topologiska defekter, orienteringsordning och externa stimuli baserade fasövergångar.

Nematiska flytande kristaller (NLC) är den enklaste formen av flytande kristallmolekyler utan ordnade positioner, och de skiljer sig från rena vätskor vid molekylär orientering. NLC har en rad egenskaper som gör att de kan fungera som mikroreaktorer och genomföra inneboende polymeriseringsreaktioner för spännande framtida applikationer. Nuvarande arbete på området är fortfarande experimentellt, till exempel, nematiska flöden i mikrofluidiska miljöer, som belyser det potentiella tvärsamtalet mellan topologiska defekter inom olika hastighets- och molekylärorienteringsområden.

I det här arbetet, forskarna observerade fasgränssnittet med NLC för första gången, experimentellt åstadkommits genom att generera polära fasdomäner som kontrollerades genom att kombinera mikrofluidisk inneslutning, vätskeflödeshastigheter och laserpulser i praktiken. Emeršič et al. använde det enkomponenta nematiska materialet pentyl-cyanobifenyl (5CB) i alla experiment som utfördes i linjära mikrofluidiska kanaler med ett rektangulärt tvärsnitt. Forskarna tillverkade kanalerna med polydimetylsiloxan (PDMS) relief och indiumtennoxid (ITO) -belagda glasunderlag med hjälp av vanliga mjuka litografiprocedurer. De fyllde sedan mikrofluidkanalerna med 5CB i sin uppvärmda isotropa fas och lät den svalna till den nematiska fasen, innan flödesförsöken påbörjas. Forskarna behandlade också mikrokanalväggarna kemiskt för att konstruera en stark homeotrop yta för att förankra 5CB -molekylerna.

Arbetet representerade en idealisk experimentell modell av en kvasi-tvådimensionell (2D) orienteringsmaterialfas. I det initiala stationära tillståndet inom en mikrofluidisk kanal, det uppvärmda materialet verkade svart. När flödet slogs på, beroende på flödeshastigheten, det dubbelbrytande utseendet ändrades från svart till ljusa färger. De flödesinriktade domänerna utvecklades på detta sätt för att antingen växa eller förinta med flödeshastighet.

Materialforskarna kallade flödesregimen för "bowser-tillstånd" på grund av materialets böjda profil och flödesjusterade tillstånd som "dowser-tillstånd" på grund av dess analogi med det så kallade dowser-fältet i nematostatik, där nematostatik är laddningstätheten för elastiska nematiska material, analog med elektrostatik. Dowser -tillståndet har en anisotrop orientering med sitt eget elastiska beteende, topologiska defekter och solitoner (ett ensamt vågpaket som bibehåller sin form medan det sprider sig med konstant hastighet). I jämförelse, bowser -tillståndet är effektivt isotropiskt och enkelt i den förenklade 2D -vyn. Forskarna kunde kontrollera formen, splittring och koalescens av dessa fasdomäner.

Emeršič et al. utförde alla experiment vid rumstemperatur, driver och styr vätskeflödet i mikrokanalen med ett tryckdrivet mikrofluidiskt flödeskontrollsystem. De studerade flödesregimer, omorienteringsdynamik och flödesdrivna deformationer av 5CB i mikrokanalerna med hjälp av polariserat ljusmikroskopi. Forskarna byggde laserpincett runt det inverterade optiska mikroskopet med en IR -fiberlaser som arbetar vid 1064 nm som en ljuskälla, och ett par akustiskt-optiska deflektorer som drivs av ett datoriserat system för att exakt manipulera strålen.

I studien, det flödesinpassade webbläsartillståndet var stabilt under starka flöden men instabilt i svagt flöde. Beroende på flödeshastigheten, webbläsarens domäner kan växa och krympa i experimenten, sett i numeriska simuleringar. Forskarna beräknade kriterierna för tillväxt och krympning av domäner i tid och angav hur domänerna växte, krympt eller förintat längs kanalen.

Genom att noggrant applicera laserpincetten, forskarna visade att en stadig ström av domäner kunde produceras genom att dissekera den ursprungliga bulk -webbläsaren med en rörlig laserpunkt, där lasern smälter sidorna av materialets fasgräns. En växande domän med högre flödeshastighet kan således delas på längden i längden, med en statisk laserstråle vid låga ljusintensiteter.

Laserpincetten möjliggjorde dynamisk kontroll av storleken, antal och livstid för genererade webbläsardomäner, vilka manipulerades ytterligare genom att modulera den periodiska flödeshastigheten. Till exempel, under enhetligt flöde, dowserfältet inriktat enhetligt längs flödesriktningen för att antingen växa eller krympa, beroende på hastigheten. Forskarna kunde ställa in och aktivt styra flödet som en domän med konstant storlek som kunde hållas stabilt i mer än tio sekunder.

Vidare, i modellen som utvecklats av Emeršič et al., de visade hur flödesriktningen kunde vändas för webbläsarens domän, vilket leder till en snabb omvänd orientering från det tidigare jämviktsläget. Dessutom, webbläsarfältet kan kopplas till externa magnetiska och elektriska fält och gradienter av kanaltjockleken för att bestämma kontrollen, flödesstyrning och optisk inställning av 5CB nematiskt material. Forskarna observerade det direkta svaret på de yttre stimuli tydligt genom dubbelbrytning i studien och bestämde att detta var en lämplig metod för att mäta materialets viskoelastiska och reologiska egenskaper.

Emeršič et al. föreställa sig möjligheten att genomföra kemiska reaktioner i sådana slutna volymer i praktiken, som tidigare visats med flytande kristallmallar. Utöver det, baserat på de principer som beskrivs av Emeršič och medarbetare, ett 3D -utskriftssystem kan konstrueras för att innehålla vätskor, inom vilka komplexa och out-of-jämvikt strukturer kan skapas och stabiliseras. De experimentella modellerna som utvecklats i denna studie med standardtermotropa LC:er kan också överföras till aktiva och biologiska material med nematiskt beteende. Den föreslagna och demonstrerade metoden är ett tekniskt verktyg inom materialvetenskap, med potentiella tillämpningar inom biofysik, kemi och kemiteknik.

© 2019 Science X Network