Fysikere opdager, hvorfor tørre flydende krystaldråber efterlader usædvanlige kafferinge

I tidligere aviser, University of Pennsylvania fysikere undersøgte "kafferingeffekten, " den ringformede plet af partikler efterladt efter dråber kaffe er fordampet. I et papir, de lærte, hvordan man fortryder denne effekt ved at ændre partikelformen. Nu, i et nyt blad udgivet i Naturkommunikation , de har afsløret den komplekse og bemærkelsesværdigt anderledes adfærd, der opstår i en flydende krystaldråbe, der tørrer.

Forskningen, udført i samarbejde med forskere ved Lehigh University og Swarthmore College, afslører nye adfærdskarakteristika for flydende krystaller, væsker med afstemte faser af konstituerende molekyler. Dannelsen af ​​forskellige faser under tørring fører til dramatisk forskellig væskebevægelse og fast aflejring og giver også indsigt, der er nødvendig for styring af tørringsopløsninger af makromolekyler, der forekommer i mange farvestoffer og farmaceutiske formuleringer.

Penn alumnus Zoey Davidson, nu postdoc ved Max Planck Institute for Intelligent Systems i Tyskland, havde eksperimenteret med Sunset Yellow, et farvestof, der giver Doritos og orange læskedrikke deres klare farver, da han ved et uheld spildte noget af materialet.

"Jeg lagde mærke til, at det spildmønster, som dråben efterlod, lignede kaffemønstre, vi havde studeret før, men der var også forskelle, " sagde Davidson. "Tørringsdråberne havde en makroskopisk synlig indre struktur, også."

Davidson, sammen med Arjun Yodh, direktør for Laboratory for Research on the Structure of Matter og James M. Skinner professor i naturvidenskab ved Institut for Fysik og Astronomi på School of Arts &Sciences i Penn, og Peter Collings fra Swarthmore, en adjungeret professor ved Penn, besluttede derefter at undersøge dette på en mere kontrolleret måde. Penn Professor Randall Kamien, bachelor-alumne Adam Gross og postdocs Angel Martinez og Tim Still bidrog også til undersøgelsen. Gruppen samarbejdede med Chao Zhou fra Lehigh og hans ph.d. studerende Yongyang Huang.

I modsætning til partiklerne i en kaffedråbe, den flydende krystaldråbe, de studerede, var en opløsning af Sunset Yellow-molekyler, der spontant kombineres for at danne stavlignende makromolekylære samlinger, svarende til, hvordan stavlignende molekyler ordner at danne de flydende krystaller, der bruges i LCD'er.

"Flydende krystaller er en fase af stof, Collings sagde, "ligesom det mere kendte solide, væske- og gasfaser. De er væsker, hvilket betyder, at de tager form af deres beholder, men i modsætning til væsker er der en vis orden blandt de bestanddele, der udgør stoffet. Så, selvom bestanddelene diffunderer rundt på samme måde som det, der sker i væsker, de opretholder en vis orienteringsmæssig og nogle gange positionel orden."

Mens de flydende krystaller, der bruges i LCD'er, kaldet termotropiske flydende krystaller, er lavet af molekyler med intet andet tilføjet, de flydende krystaller brugt i dette eksperiment var kromoniske flydende krystaller. Kromoniske flydende krystaller består af samlinger af molekyler spredt i flydende vand.

Under tørring, koncentrationen af ​​Sunset Yellow varierede inden for dråben, og mikroskopbilleder afslørede dannelsen af ​​forskellige væskefaser såsom den isotrope væske (tilfældig), flydende krystal nematiske (afstemte) og flydende krystal søjleformede (cylindrisk pakkede) faser, der adskiller sig til forskellige områder af dråben.

"Når man ser på faldet over tid, " Yodh sagde, "det er ikke ensartet; det har en masse struktur."

Den centrale region af dråben var isotropisk, og det var omgivet af den justerede nematiske fase. Grænsen mellem de to faser flyttede sig mod midten, mens dråben tørrede, og så dukkede andre regioner op med forskellige strukturer, såsom søjle- og krystalfaserne.

"Det er et kvalitativt spring at gå fra et fald, der er en fase, der bare bliver mere koncentreret, " Yodh sagde, "til en dråbe, der kan skifte til flere forskellige faser afhængig af koncentration. De forskellige faser adskiller og påvirker viskositeten og konvektionen i forskellige regioner af dråben."

De bemærkede usædvanlig dynamik i tørreprocessen, men fandt det svært at skelne disse processer med simple mikroskopier. Således gik de sammen med Zhou og Huang for at anvende optisk kohærensmikroskopi til at spore strømmen inde i dråberne. Det nye mikroskop afslørede cirkulære strømningsmønstre, eller Marangoni-strømme, cirkulerer i en modsat retning af den, der ses i andre løsninger. Denne cirkulationsanomali skyldtes Sunset Yellows usædvanlige overfladespændingsegenskaber.

Fordi fordampning sker hurtigst ved en yderkant i en udtørrende dråbe kaffe, fast materiale inde i dråben transporteres fra midten af ​​dråben til yderkanten, at bringe flere og flere kaffekorn med sig.

"Disse kaffekorn samler sig ved kanten, Collings sagde, "og efter at dråben er fuldstændig tørret en dejlig, resulterer en mørk ring af kaffepartikler."

Til sidst, aflejringen fra den tørrende flydende krystaldråbe var ikke ringlignende eller ensartet.

"I mange tilfælde, Collings sagde, "Eksistensen af ​​flydende krystalfaser hæver viskositeten og sænker hastigheden af ​​materialets bevægelser, så den endelige form ligner en vulkan eller nedsænket soufflé."

Selvom der har været andre undersøgelser, hvor flere faser opstår i tørring og fordampning af dråber, især nær den faldende kant, det er første gang, forskere har undersøgt flere flydende krystalfaser og forstået, hvordan viskoelastiske effekter og andre egenskaber ved flydende krystaller påvirker det endelige tørreaflejringsmønster.

"Vi skubber en grænse, " sagde Yodh, "Vi ved, at mange systemer faktisk kan have disse egenskaber, og denne forskning er vigtig, hvis du vil forstå, hvad de vil gøre."

Mange teknologier er afhængige af at afsætte materiale på en præcis måde gennem fordampning af et opløsningsmiddel. Da flydende krystallignende faser er almindelige blandt farvestoffer og lægemidler, denne forskning kunne have potentielle anvendelsesmuligheder.

"Man behøver kun at tænke på inkjet print, Collings sagde, "at realisere et ekstremt almindeligt og nyttigt eksempel. Hvis sådanne processer involverer stoffer, der danner flydende krystalfaser, som mange farvestoffer og stoffer gør, så vil forståelsen opnået gennem vores eksperimenter være vigtig for at opnå de resultater, der ønskes."

Men meget af vigtigheden af ​​dette arbejde ligger inden for grundvidenskabens område.

"Vores nyfundne forståelse af, hvordan dråber af en anden klasse af materialer tørrer, Collings sagde, "underbygger nogle koncepter udviklet før, men udvider også vores viden til områder, hvor adfærden er anderledes."

Forskerne håber at kunne følge op på nogle af de interessante observationer, de har lavet om de strukturer, der dannes, når materialet tørrer.

"Mønstrene af materiale, der danner, " Yodh sagde, "er påvirket både af traditionel ligevægtstermodynamik og af væskekonvektion og nye strukturer med nye låste topologier dannes som et resultat."

At være i stand til at kontrollere dette fænomen ville være et spændende næste skridt.

"Det er det sjove ved at se maling tørre, " sagde Davidson. "Der sker faktisk alt det her fede ting inde i dråben."