Skulpturering af stabile strukturer i rene væsker

Oscillerende strømning og lysimpulser kan bruges til at skabe rekonfigurerbar arkitektur i flydende krystaller. Materialeforskere kan omhyggeligt konstruere samordnede mikrofluidiske strømme og lokaliserede optotermiske felter for at opnå kontrol med nukleation, vækst og form af sådanne flydende domæner. Sammenlignet med, rene væsker i termodynamisk ligevægt er strukturelt homogene. Eksperimentelt arbejde baseret på teori og simuleringer har vist, at hvis væskerne holdes i en kontrolleret tilstand af ikke -ligevægt, de resulterende strukturer kan stabiliseres på ubestemt tid.

Skulpturerede væsker kan finde applikationer i mikrofluidiske enheder til selektivt at indkapsle opløste stoffer og partikler i optisk aktive rum til at interagere med eksterne stimuli til en række forskellige medicinske, sundhedspleje og industrielle applikationer. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskab fremskridt , Tadej Emeršič og kolleger i Slovenien og USA udviklede rene nematiske flydende krystaller (NLC), hvor de dynamisk manipulerede defekter og rekonfigurerbare tilstande af materialerne ved samtidig anvendelse af flere eksterne felter.

Faste materialer kan udvise forskellige strukturelle faser samtidigt, en ejendom, der kan manipuleres til at konstruere funktionalitet. Imidlertid, i rene væsker ved ligevægt, sådanne strukturelle faser, der svarer til korngrænser og defekter, opstår ikke. Mens væsker udviser en række attraktive træk, herunder evnen til at fugtige overflader, demonstrere høje diffusionskoefficienter og absolut overensstemmelse, det er udfordrende at inkludere yderligere funktionaliteter til væsker på grund af deres iboende homogenitet. Kompleks adfærd observeres i multikomponent syntetiske og biologiske blandinger, og de resulterende strukturer er vanskelige at manipulere, da de forekommer i situationer uden for ligevægt. Sådanne situationer involverer generelt også flere komponenter med skarp blandbarhed og gradienter mellem hydrofile og hydrofobe domæner.

Forskere har udviklet aktivt stof i form af levende kolonier og bioinspirerede syntetiske modstykker. De trykte hydrofobe/hydrofile domæner på flydende blandinger ved at stole på overfladeaktive nanopartikler og kontrollerede ikke-ligevægtssystemer for at demonstrere bevægelse og overgang mellem forskellige reologiske regimer. Flydende krystaller (LC'er) er et ideelt system til at studere fænomener af interesse, såsom spontan symmetri, topologiske defekter, orienteringsordre og eksterne stimuli -baserede faseovergange.

Nematiske flydende krystaller (NLC'er) er den enkleste form for flydende krystalmolekyler uden ordnede positioner, og de adskiller sig fra rene væsker på niveauet for den molekylære orientering. NLC'er har en række egenskaber, der tillader dem at fungere som mikroreaktorer og udføre iboende polymerisationsreaktioner til spændende fremtidige applikationer. Det nuværende arbejde på området er stadig eksperimentelt, for eksempel, nematiske strømme i mikrofluidiske miljøer, som fremhæver den potentielle cross-talk mellem topologiske defekter inden for forskellige hastighedsområder og molekylær orientering.

I dette arbejde, forskerne observerede faseinterfacet med NLC'er for første gang, eksperimentelt opnået ved at generere domæner i polar fase, der blev kontrolleret ved at kombinere mikrofluid indespærring, væskestrømningshastigheder og laserpulser i praksis. Emeršič et al. brugte det enkeltkomponent nematiske materiale pentyl-cyanobiphenyl (5CB) i alle forsøg udført i lineære mikrofluidkanaler med et rektangulært tværsnit. Forskerne fremstillede kanalerne med polydimethylsiloxan (PDMS) relief og indium tinoxid (ITO) -coated glassubstrater ved hjælp af standard bløde litografiprocedurer. De fyldte derefter mikrofluidkanalerne med 5CB i sin opvarmede isotrope fase og lod den afkøle til den nematiske fase, før flowforsøgene påbegyndes. Forskerne behandlede også mikrokanalvæggene kemisk for at konstruere en stærk homøotrop overflade til at forankre 5CB-molekylerne.

Værket repræsenterede en ideel eksperimentel model af en kvasi-todimensionel (2D) orienteringsmateriale fase. I den oprindelige stationære tilstand inden for en mikrofluid kanal, det opvarmede materiale syntes sort. Da strømmen blev slået til, afhængigt af strømningshastigheden, det dobbeltbrydende udseende ændrede sig fra sort til lyse farver. De strømningsjusterede domæner udviklede sig på denne måde til enten at vokse eller tilintetgøre med strømningshastigheden.

Materialeforskerne kaldte strømningsregimet 'bowser-tilstanden' på grund af materialets buede profil og den strømningsjusterede tilstand som 'dowser-tilstanden' på grund af dets analogi med det såkaldte dowser-felt i nematostatik, hvor nematostatik er ladningstætheden af ​​elastiske nematiske materialer, analogt med elektrostatik. Dowser -tilstanden har en anisotrop orientering med sin egen elastiske adfærd, topologiske defekter og solitoner (en solitær bølgepakke, der bevarer sin form, mens den forplanter sig med konstant hastighed). Sammenlignet med, bowser -tilstanden er effektivt isotrop og enkel i den forenklede 2D -visning. Forskerne var i stand til at kontrollere formen, opdeling og koalescens af disse fasedomæner.

Emeršič et al. udførte alle forsøg ved stuetemperatur, kørsel og styring af væskestrøm i mikrokanalen med et trykdrevet mikrofluidisk flowkontrolsystem. De studerede flowregimerne, reorienteringsdynamik og flow-drevne deformationer af 5CB i mikrokanalerne ved brug af polariseret lysmikroskopi. Forskerne byggede laserpincet omkring det omvendte optiske mikroskop med en IR -fiberlaser, der opererede ved 1064 nm som lyskilde, og et par akustisk-optiske deflektorer drevet af et edb-system til præcist at manipulere strålen.

I undersøgelsen, den flowjusterede dowser-tilstand var stabil under stærke strømme, men ustabil i svagt flow. Afhængigt af strømningshastigheden, dowser -domæner kunne vokse og skrumpe i eksperimenterne set i numeriske simuleringer. Forskerne beregnede kriterierne for vækst og krympning af domæner i tide og angav, hvordan domænerne voksede, krympet eller tilintetgjort langs kanalen.

Ved omhyggeligt at påføre laserpincetten, forskerne viste, at der kunne produceres en jævn strøm af domæner ved at dissekere den originale bulk -browser med et bevægeligt laserpunkt, hvor laseren smeltede siderne af materialets fasegrænse. Et voksende domæne ved højere strømningshastighed kunne således opdeles på langs i to, med en statisk laserstråle ved lave lysintensiteter.

Laserpincetten tillod dynamisk kontrol af størrelsen, antal og levetid for genererede dowser-domæner, som blev manipuleret yderligere ved at modulere den periodiske strømningshastighed. For eksempel, under ensartet strømning, dowserfeltet tilpasset ensartet langs strømningsretningen for enten at vokse eller krympe, afhængig af hastighedsregimet. Forskerne var i stand til at tune og aktivt kontrollere strømmen som et domæne i konstant størrelse, der stabilt kunne opretholdes i mere end ti sekunder.

Desuden, i modellen udviklet af Emeršič et al., de viste, hvordan strømningsretningen kunne vendes for dowser -domænet, hvilket fører til en hurtig vending af orientering fra den tidligere ligevægtstilstand. Ud over, dowserfeltet kunne kobles til eksterne magnetiske og elektriske felter og gradienter af kanaltykkelsen for at bestemme kontrollen, flowstyring og optisk tuning af det 5CB nematiske materiale. Forskerne observerede den direkte respons på de eksterne stimuli tydeligt gennem dobbeltbrydning i undersøgelsen og fastslog, at dette var en passende metode til at måle materialets viskoelastiske og rheologiske egenskaber.

Emeršič et al. forestille sig muligheden for at udføre kemiske reaktioner i sådanne lukkede volumener i praksis, som tidligere vist med flydende krystalskabeloner. Ud over det, baseret på de principper, der er skitseret af Emeršič og kolleger, et 3D-printsystem kan konstrueres til at indeholde væsker, inden for hvilke komplekse og ude af ligevægt strukturer kan skabes og stabiliseres. De eksperimentelle modeller, der er udviklet i denne undersøgelse ved hjælp af standard termotrope LC'er, kan også overføres til aktive og biologiske materialer med nematisk adfærd. Den foreslåede og demonstrerede metode er et teknisk værktøj inden for materialevidenskab, med potentielle anvendelser inden for biofysik, kemi og kemiteknik.

© 2019 Science X Network