Elektrostatisk kontrollerede overfladegrænseforhold i nematiske flydende krystaller og kolloider

Flydende krystaller adskiller sig fra isotrope væsker (væsker med lignende egenskaber i forskellige retninger) for at udvise meget anisotrope (varierende egenskaber i forskellige retninger) interaktioner med overflader. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Haridas Mundoor og et tværfagligt forskerhold i afdelingerne for fysik og forskning i bløde materialer, elektriske, computer- og energiteknik i USA, kontrollerede overfladejusteringen af ​​nematiske molekyler (stærke lysspredere på grund af termiske fluktuationer i flydende krystaller). Ved at kontrollere ionindholdet, forskerne indstillede orienteringerne for den form-anisotropiske, blodpladelignende partikler. Den resulterende anisotrope, elastiske og elektrostatiske interaktioner lettede kolloide krystaller med rekonfigurerbare symmetrier og orienteringer. De udnyttede de konkurrerende tilpasningseffekter af overfladefunktionalisering og det elektriske felt, der opstod på grund af eksperimentel overfladeopladning og bulkmodioner i opsætningen.

Flydende krystaller (LC'er) har fundet anvendelser fra lysskærme til biomedicinske sensorer, på grund af deres anisotrope overfladeinteraktioner. Sådanne overfladeinteraktioner kan definere grænsebetingelser for molekyler på partikeloverflader, giver forskere mulighed for i sidste ende at bestemme defekter og interaktioner induceret under grundlæggende undersøgelser af LC-kolloider. For form-anisotrope partikler, kolloide samlinger og faser, der er stærkt afhængige af disse grænsebetingelser, varierede fra plane til vippede og vinkelrette orienteringer. For at bestemme overfladeorienteringer i LC's direktørfelt, videnskabsmænd bruger generelt den anisotrope del af overfladefri energi, kendt som 'forankringsenergien'. For en given LC, forskere kan kontrollere forankringsenergien ved hjælp af kemiske eller topografiske modifikationer, mekanisk gnidning eller fotojusteringsteknikker. Begrænset kontrol med overfladeforankring kan hindre brugen af ​​LC'er i kolloid montage og tekniske applikationer.

I nærværende arbejde, Mundoor et al. rapporterede ioners indflydelse på overfladeforankringsegenskaber og definerede adfærden af ​​anisotrope kolloider spredt i en nematisk flydende krystal. Forskerne kontrollerede ionindholdet i LC for at demonstrere en systematisk variation af randbetingelser. De viste derefter, hvordan ligevægtsorienteringer af ladede kolloide partikler ændrede sig i forhold til fjernfeltsretningen og demonstrerede den efterfølgende selvsamling af kolloide arrays med forskellige krystallografiske symmetrier.

Forskergruppen syntetiserede blodpladeformet β-NaYF ₄ :Yb/Er mikrokrystaller under anvendelse af en modificeret hydrotermisk metode. De optimerede den kemiske syntese til at give cirkulære blodplader med en gennemsnitlig diameter på 2 µm og en tykkelse på 20 nm, hvilket de bekræftede ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM). Da forskerne exciterede blodpladerne ved hjælp af en 980 nm infrarød laser, partiklerne viste luminescens opkonvertering. Forskerne behandlede derefter partiklerne kemisk til overfladeladning, belagt med 5 nm tykt silica og funktionaliseret med methoxysilan polyethylenglycol.

Holdet spredte de silica-kapslede partikler i 4-cyano-4'-pentylbiphenyl (5 CB) flydende krystal ved at blande det med en fortyndet kolloid dispersion i ethanol, efterfulgt af opløsningsmiddelfordampning ved 70°C ⁰ C i 2 timer. De afkølede derefter partiklerne til den nematiske fase under hurtig mekanisk omrøring. Mundoor et al. infiltrerede de efterfølgende kolloide dispersioner i 30 µm tykke glasceller og forseglede dem med en hurtighærdende epoxylim. De fremmede de plane grænsebetingelser ved at belægge de indvendige overflader af glascellerne med polyvinylalkohol, efterfulgt af undersøgelse af spredning og justering af partikler i LC ved hjælp af optisk mikroskopi. De studerede de polariserende optiske mikrofotografier for at afsløre konfigurationer af partiklerne i forskellige orienteringer samt blodpladernes reaktion på elektriske og magnetiske felter i LC og isotrope medier.

Forskerne dannede derefter en eksperimentel celle ved hjælp af to glassubstrater med tætte lag af blodplader spin-coated til deres indre overflader. Ved at bruge den eksperimentelle opsætning, de målte den optiske faseretardering af disse celler for at afsløre en 49-graders hældning i forhold til substrater, som teamet yderligere kunne kontrollere via iondoping i systemet. Forskerne kontrollerede elektrostatisk grænsebetingelserne på begrænsende celleoverflader ved at belægge dem med blodplader eller ved at bruge substratmaterialer med indstillelig overfladeopladning.

Partikeldiffusion i systemet var afhængig af samspillet mellem LC's anisotrope viskoelastiske egenskaber og formanisotropien af ​​de orienterede partikler. For eksempel, blodpladerne med vinkelrette eller plane grænsebetingelser forvrængede LC's direktør for at danne elastiske quadrupoler indlejret i en ensartet baggrund. Forskerholdet brugte videomikroskopi sporing af blodpladens position til at bestemme diffusionskoefficienter. Forskerne observerede stærkere diffusionsanisotropi for partikler med vinkelret forankring, hvor formanisotropi påvirkede diffusion af partikler.

Doping med ioniske tilsætninger såsom NaCl fik modioner (der opretholder elektrisk neutralitet) til at adsorbere på partikeloverfladerne, som effektivt reducerede overfladeladningen og styrken af ​​det elektriske felt (E _DL ). Efter doping, blodpladerne reorienterede sig også trinvist med tiden fra deres oprindelige justering på grund af skiftende overfladeladninger. For eksempel, blodpladerne omformes gradvist fra diskrete orienteringer i flere hundrede sekunder, før du hopper til næste orientering. Den detaljerede mekanisme for modionadsorption under processen mangler at blive forstået og yderligere forklaret via yderligere undersøgelser.

Mundoor et al. observerede, at blodpladerne dannede krystallinske samlinger ved høje koncentrationer på grund af konkurrerende elastiske og uelastiske interaktioner. Resultaterne viste potentiale til at designe kolloide krystaller med krystallografi, der kan indstilles ved ion-doping, hvor tilsætning af salt ændrede selvsamlingen. Blodplader med høj ladning (+300e) viste homøotrop forankring og dannede et rombisk gitter. Når afgiften faldt til +100e, de vedtog ionisk forankring og tilt for at samles til et skråt gitter med forskellige parametre. Når blodpladerne med den laveste +20e ladning og plan forankring justerede vinkelret på cellesubstraterne, dannede de et rombisk gitter. Mundoor et al. kunne magnetisk og elektrisk rekonfigurere de todimensionelle (2-D) gitter i de krystallografiske planer parallelt med cellesubstraterne for at give forskellige 3-D krystaller. Sådanne 3-D krystaller kan justeres yderligere ved at justere blodpladeorienteringer og ved elektrostatisk at variere mellemrummet mellem de krystallografiske planer i fremtidigt arbejde.

På denne måde Haridas Mundoor og kolleger kontrollerede forankring af fri energi og randbetingelser på kolloidale partikler og de begrænsende overflader af flydende krystaller (LC'er) ved at indstille overfladeladninger og ved at ændre den ioniske dopingkoncentration. Arbejdet gjorde det muligt for dem at kontrollere LC-justeringen med hensyn til begrænsende overflader og kontrollere orienteringen af ​​anisotrope kolloide partikler såsom blodplader, med hensyn til den ensartede fjernfeltsbaggrund. Forskerne sigter mod at udføre yderligere undersøgelser af, hvordan topologiske defekter på partikeloverflader og i LC-massen, kunne mediere absorptionen af ​​modioner. De vil også undersøge, hvordan inhomogene elektrostatiske dobbeltlag kan genereres fra den anisotrope natur af LC'er i fremtidigt arbejde.

© 2019 Science X Network