Programmering af van der Waals interaktioner med komplekse symmetrier til mikropartikler ved hjælp af flydende krystallinitet

Alsidige tilgange til ingeniør asymmetriske van der Waals interaktioner kan udvide paletten af ​​materialeudvikling gennem bottom-up ingeniørprocesser. I en ny undersøgelse, H.A. Fuster og et forskerhold i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab, og matematik ved University of Wisconsin-Madison, Wisconsin, og Cornell University New York, OS., demonstrerede polymerisation af flydende krystaller (LC) for at programmere van der Waals-interaktioner. De udførte eksperimenterne ved hjælp af en kinetisk styret probe kolloid adsorptionsproces og udførte komplementære beregninger for at indikere, at LC-bestilling kunne programmere van der Waals-interaktioner på tværs af overfladerne af mikropartikler. De konstruerede de forskellige LC-konfigurationer ved indeslutning for at give friske ideer for at programmere van der Waals-interaktioner, at samle blødt stof. Resultaterne er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt .

Samlingen af ​​partikler i klynger og netværk ligger til grund for dannelsen af ​​forskellige former for blødt stof, herunder skum, emulsioner, og tyndfilmsbelægninger. Mens de fleste undersøgelser i fortiden havde fokuseret på materialer dannet gennem interpartikelinteraktioner, nyere undersøgelser er gået videre til at designe bløde materialer via en bottom-up samling af partikler, der koder for anisotropiske interpartikelinteraktioner. Van der Waals interaktioner er allestedsnærværende på tværs af alle partikelsystemer og repræsenterer en anden lovende tilgang til programmering af samlingen af ​​blødt stof. I denne rapport, Fuster et al undersøgte en tilgang til at kontrollere symmetrien af ​​van der Waals-interaktioner i partikelsystemer baseret på syntesen af ​​polymere mikropartikler fra flydende krystaller (LC'er). De beskrev, hvordan de sammensætningsmæssigt homogene og sfæriske polymere mikropartikler har veldefinerede mønstre af orienteringsrækkefølge til at kode van der Waals-interaktioner med komplekse symmetrier.

Manipulering af flydende krystaller (LC'er) begrænset i mikroskala-domæner.

Holdet polymeriserede LC (flydende krystal) mikrodråber fremstillet som olie-i-vand-emulsioner for at demonstrere, hvordan den interne orienteringsrækkefølge kunne justere den rumlige variation af van der Waals-interaktioner på tværs af overfladerne af mikropartikler. De undersøgte disse interaktioner med en mikron-størrelse polystyren (PS) kolloid. Van der Waals interaktioner omfatter kollektivt dipol-dipol (Keesom), dipol-induceret dipol (Keesom), dipol-induceret dipol (Debye) og øjeblikkelige dipol-inducerede dipol (London) interaktioner. Interaktionerne kan beregnes ved hjælp af Lifshitz-teorien gennem lavfrekvente og højfrekvente komponenter af den dielektriske responsfunktion i forhold til de konstituerende materialer. Fuster et al brugte LC'er til at syntetisere mikropartikler med ønsket intern orienteringsrækkefølge og brugte den interne konfiguration til at programmere komplekse, men forudsigelige rumlige mønstre af van der Waals-interaktioner. Resultaterne og beregningerne viste, hvordan LC'er gav grundlaget for en alsidig tilgang til programmering af van der Waals-interaktioner, svarende til de konventionelle bottom-up montageprocesser inden for materialevidenskab.

Tidligere undersøgelser havde rapporteret en bemærkelsesværdig mangfoldig række af organisering af LC'er i mikrodråber, som omfatter chirale og achirale LC'er dannet af organiske og vandige faser. Holdet undersøgte først akirale LC'er dannet via flere forskellige kemiske blandinger i dette arbejde, hvor forbindelserne havde anisotropiske dielektriske responsfunktioner. Holdet spredte derefter LC-blandingen i glycerol og dannede LC-dråber i mikronstørrelse med en bipolær konfiguration. De polymere mikropartikler bevarede den bipolære konfiguration af LC-dråber, hvorfra de blev dannet efter fotopolymerisation, som bekræftet med lysfelt- og polariserede lysmikrofotografier. Forskerne kortlagde derefter den rumlige variation af van der Waals-interaktionerne på tværs af overflader af polymeriserede bipolære mikropartikler ved reversibelt at adsorbere polystyrenprobekolloider (1 µm diameter) på sådanne mikropartikeloverflader.

Undersøgelse af van der Waals interaktioner mellem probekolloiderne og mikropartiklerne.

De fortolkede de eksperimentelle observationer i forhold til van der Waals-interaktioner mellem probekolloiderne og LC-mikropartikler. For eksempel, holdet kvantificerede fordelingen af ​​probekolloider adsorberet på overflader af bipolære mikropartikler i nærværelse af saltvand, hvor antallet steg med tiden i en kinetisk styret aggregeringsproces. Til kontroleksperimenter, de gentog metoderne ved at bruge LC (flydende krystal) mikropartikler polymeriseret i radial konfiguration. Baseret på resultaterne, Fuster et al antog, at mønsterdannelsen af ​​probekolloider på bipolære mikropartikler opstod fra van der Waals-interaktionerne kodet gennem orienteringsbestemmelse af molekyler i de bipolære mikropartikler. De understøttede hypotesen med beregninger for at indikere, at orienteringerne af LC'er i mikropartikler kunne bruges til at kode tilstrækkeligt store variationer i van der Waals-interaktioner, giver mulighed for direkte bottom-up samling af blødt stof systemer.

Holdet undersøgte derefter de teoretiske forudsigelser af bipolær LC-mikropartikel intern bestilling og beregnede deres attraktive interaktionsenergier. De bemærkede, at van der Waals-interaktionerne mellem probekolloiderne og de bipolære mikropartikler var stærkere ved det ækvatoriale område, og i overensstemmelse med eksperimentelle observationer. Ændringen i dielektrisk respons oplevet af et probekolloid nær en bipolær mikropartikel virkede som en stærk forankringsenergi, og van der Waals-interaktioner var særligt følsomme over for sådanne overfladeforankringsenergier.

Fuster et al. studerede derefter nettointeraktionsenergien mellem et probekolloid og de polymeriserede bipolære mikropartikler som summen af ​​attraktive van der Waals og frastødende dobbeltlagsinteraktioner. For yderligere støtte på deres hypotese om, at van der Waals-interaktioner kan kodes af interne konfigurationer af LC-mikropartikler, holdet forberedte LC-mikropartikler med dipolær symmetri. De bemærkede zeta-potentialemålingerne af disse mikropartikler for at give værdier svarende til de polymeriserede bipolære LC-mikropartikler. Baseret på de eksperimentelle resultater, Fuster et al. bekræftede, at manipulation af LC-ordenen i mikropartiklerne gav en alsidig tilgang til mønster van der Waals-interaktioner på tværs af overfladerne af mikropartikler.

På denne måde H.A. Fuster og kollegaer karakteriserede anisotrope van der Waals-interaktioner programmeret i mikropartikler ved at kontrollere den interne LC-orden og kvantificere kinetisk kontrolleret kolloidadsorption over overfladen af ​​LC-mikropartiklerne. Forsøgene og understøttende beregninger viste, at den rumlige variation af van der Waals-interaktioner på tværs af overfladerne af LC-mikropartikler var så stor som 20 K _B T. Denne størrelse er stor nok til at konstruere en bottom-up samling af bløde materialer. Forskerne fortolkede de eksperimentelle observationer i forhold til van der Waals vekselvirkninger mellem LC (flydende krystal) mikropartikler og probe kolloider. Resultaterne etablerede grundlaget for en generel og enkel tilgang til programmering af van der Waals-interaktioner i kolloide bløde stofsystemer, da forskerne kunne variere rækkefølgen af ​​LC'er og manipulere dem i en række eksperimentelle geometrier. Principperne for denne undersøgelse vil være anvendelige på en række bløde stoffers fænomener, herunder adhæsion og befugtning af overflader, herunder dannelsen af ​​kolloide samlinger såsom briller, krystaller, og geler.

© 2020 Science X Network