Kemisk organisation i reaktions-diffusionssystem erbjuder en strategi för att generera material med ordnade morfologier och arkitektur. Periodiska strukturer kan bildas med hjälp av molekyler eller nanopartiklar. En framväxande gräns inom materialvetenskap syftar till att kombinera nanopartiklar och molekyler. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Amanda J. Ackroyd och ett team av forskare inom kemi, fysik och nanomaterial i Kanada, Ungern och USA noterade hur lösningsmedelsavdunstning från en suspension av nanokristaller av cellulosa (CNC) och L-(+)-vinsyra [förkortat L-(+)-TA] gjorde att fasseparationen av utfällning resulterade i den rytmiska förändringen av CNC -rik, L-(+)-TA-ringar. De CNC-rika regionerna bibehöll en kolesterisk struktur, medan de L-(+)-TA-rika banden bildas via radiellt förlängda buntar för att utöka kunskapen om självorganiserande reaktionsdiffusionssystem och erbjuda en strategi för att designa självorganiserande material.

Kemisk organisation

Processen med självorganisering och självmontering sker universellt i icke-jämviktssystem av levande materia, geokemiska miljöer, materialvetenskap och inom industrin. Befintliga experiment som leder till periodiska strukturer kan delas in i två grupper inklusive de klassiska experimenten av Liesegang-typ och kemisk organisation via periodisk utfällning för att generera material med ordnade morfologier och strukturell hierarki. I det här arbetet, Ackroyd et al. utvecklat en strategi för lösningsmedelsavdunstning för att fasseparera en vattenlösning av vinsyra/cellulosa nanokristaller [L-(+)-TA/CNC eller TA/CNC] för dess efterföljande utfällning för att resultera i en rytmisk växling av CNC-rik eller CNC- utarmade regioner av ringtyp. Teamet utvecklade en kinetisk modell som överensstämde med experimentresultaten kvantitativt. Arbetet utökar utbudet av självorganiserande reaktions-diffusionssystem för att bana väg för periodiskt strukturerade funktionella material.

Experiment

Ackroyd et al. deponerade blandade suspensioner som droppar på objektglas och placerade dem omedelbart i en fuktkammare. Med hjälp av ett polariserande optiskt mikroskop (POM), de bildade bilder av de torkande filmerna med olika TA/CNC (vinsyra/cellulosa nanokristaller) sammansättningar. Filmer bildade genom torkning av vinsyralösningen bibehöll en sfärulitmorfologi med en nålliknande struktur. Använda bilder av torkning av TA/CNC, teamet noterade bildandet av ringar som börjar från en kärnbildningspunkt nära filmens centrum från vilken periodisk och växte radiellt mot kanten av filmen. De karakteriserade sedan ringmönstren i filmerna, där den ökande relativa luftfuktigheten, ökade värdet av sin period. För att förstå tillväxtdynamiken för bildandet av periodiska ringar, Ackroyd et al. registrerade utvecklingen av de spatio-temporala mönstren för vattenavdunstning för vätskefilmerna. De märkte CNC med ett kovalent fäst fluoresceinisotiocyanat (FITC) färgämne, att karakterisera sammansättningen av alternerande ringar i kompositfilmen. Baserat på POM-bilder (polariserande optiskt mikroskop), de noterade de CNC-berikade och CNC-berövade periodiska banden i kompositfilmen.

Karakterisera kompositfilmen.

För att karakterisera kompositfilmerna ytterligare, forskarna förvärvade spektra under differentiell överföring av cirkulärt polariserat ljus av motsatt hand. Med hjälp av svepelektronmikroskopi, de fick bilder av filmtvärsnittet av de CNC-rika och TA-rika regionerna. För att förstå topografin på ytan av kompositfilmen, de använde atomkraftsmikroskopi. Med POM-bilder med hög förstoring, Ackroyd et al. noted the TA-rich regions in yellow and light orange, while the CNC-rich regions appeared red and green in color. The team also conducted polarimetry imaging to map the variation in the polarization state of transmitted light. För att åstadkomma detta, they illuminated a film with a 532 nm linearly polarized light with a light polarization state set parallel to the vertical edge of the images. Based on both POM and polarimetry experiments, Ackroyd et al revealed the orientation order in TA-rich ring-banded regions relative to the chemical composition of the film. The structural features formed by CNCs and TA provided an interesting example of complex, out-of-equilibrium organization, of interest for future studies. To probe the TA/CNC films in the transmission mode, the scientists also used small-angle X-ray scattering, where an X-ray beam size of 220 x 50 µm allowed an entire film to be scanned for mapping with the technique.

Numerical model

The scientists then developed a kinetic model for the phase-separating TA/CNC suspension as applied generally to reaction-diffusion systems. They represented the dynamics of the periodic pattern formation with two types of building blocks using a set of differential equations. The numerical model factored six species of the drying TA/CNC suspension including the (1) dissolved TA, (2) the nuclei of precipitated TA, (3) the crystals of TA in the TA-rich phase and the (4) the suspended individual CNCs, (5) the TA-CNC clusters, and 6) the CNC-enriched phase. The numerical model qualitatively reproduced the experimental findings, and the model predicted a finite constant velocity of the moving front of the edge pattern.

Syn

På det här sättet, Amanda J. Ackroyd and colleagues provided first evidence of a periodic ring-banded structure formed by two components with dimensions differing by several orders of magnitude. The results differed from ring patterns obtained by other phenomena including "coffee ring" patterns. The scientists noted the evaporation of water from the TA/CNC suspension to result in the saturation of CNCs and TA in the mixture. They controlled the morphology of the composite films by varying the composition of the TA/CNC suspension and relative humidity. Based on simulations, the team noted that the periodic ring patterns did not qualitatively change with increasing viscosity and therefore reduced the diffusion coefficients of the compounds. They highlighted distinct band structures for the CNC-enriched and TA-enriched ring-banded regions throughout the study. The work will expand the knowledge of self-organizing reaction-diffusion systems and provide strategies to design self-organizing materials.

© 2021 Science X Network