Selvorganisering af nanopartikler og molekyler i periodiske strukturer af Liesegang-typen

Kemisk organisering i reaktions-diffusionssystemer tilbyder en strategi til at generere materialer med ordnede morfologier og arkitektur. Periodiske strukturer kan dannes ved hjælp af molekyler eller nanopartikler. En spirende grænse inden for materialevidenskab sigter mod at kombinere nanopartikler og molekyler. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Amanda J. Ackroyd og et team af videnskabsmænd i kemi, fysik og nanomaterialer i Canada, Ungarn og USA bemærkede, hvordan opløsningsmiddelfordampning fra en suspension af cellulosenanokrystaller (CNC'er) og L-(+)-vinsyre [forkortet L-(+)-TA] fik faseadskillelsen af ​​udfældning til at resultere i den rytmiske ændring af CNC -rig, L-(+)-TA ringe. De CNC-rige regioner opretholdt en kolesterisk struktur, mens de L-(+)-TA-rige bånd dannet via radialt aflange bundter for at udvide kendskabet til selvorganiserende reaktionsdiffusionssystemer og tilbyde en strategi til at designe selvorganiserende materialer.

Kemisk organisation

Processen med selvorganisering og selvsamling finder sted universelt i ikke-ligevægtssystemer af levende stof, geokemiske miljøer, materialevidenskab og i industrien. Eksisterende eksperimenter, der fører til periodiske strukturer, kan opdeles i to grupper, herunder de klassiske Liesegang-type eksperimenter og kemisk organisering via periodisk udfældning for at generere materialer med ordnede morfologier og strukturelt hierarki. I dette arbejde, Ackroyd et al. udviklet en strategi for opløsningsmiddelfordampning for at faseseparere en vandig opløsning af vinsyre/cellulose nanokrystaller [L-(+)-TA/CNC eller TA/CNC] for dens efterfølgende udfældning for at resultere i en rytmisk vekslen af ​​CNC-rige eller CNC- områder af udtømt ringtype. Holdet udviklede en kinetisk model, som stemte overens med de eksperimentelle resultater kvantitativt. Værket udvider rækken af ​​selvorganiserende reaktionsdiffusionssystemer for at bane vejen for periodisk strukturerede funktionelle materialer.

Eksperimenter

Ackroyd et al. deponerede blandede suspensioner som dråber på objektglas og anbragte dem straks i et fugtkammer. Ved hjælp af et polariserende optisk mikroskop (POM), de dannede billeder af tørrefilmene med varierende TA/CNC (vinsyre/cellulose nanokrystaller) sammensætninger. Film dannet ved tørring af vinsyreopløsningen bibeholdt en sfærulitmorfologi med en nålelignende struktur. Brug af billeder af tørring af TA/CNC, holdet bemærkede dannelsen af ​​ringe begyndende fra et kernedannelsespunkt tæt på filmens centrum, hvorfra periodisk og voksede radialt mod kanten af ​​filmen. De karakteriserede derefter ringmønstrene i filmene, hvor den stigende relative fugtighed, øget værdien af ​​deres periode. For at forstå vækstdynamikken i dannelsen af ​​periodiske ringe, Ackroyd et al. registrerede udviklingen af ​​de spatio-temporale mønstre af vandfordampning for de flydende film. De mærkede CNC'er med et kovalent bundet fluorescein isothiocyanat (FITC) farvestof, at karakterisere sammensætningen af ​​vekslende ringe i kompositfilmen. Baseret på POM (polariserende optisk mikroskop) billeder, de bemærkede de CNC-berigede og CNC-berøvede periodiske bånd i den sammensatte film.

Karakterisering af den sammensatte film.

For at karakterisere kompositfilmene yderligere, videnskabsmændene erhvervede spektre under differentiel transmission af cirkulært polariseret lys af modsat hånd. Ved hjælp af scanningselektronmikroskopi, de opnåede billeder af filmtværsnittet af de CNC-rige og TA-rige regioner. For at forstå topografien af ​​overfladen af ​​den sammensatte film, de brugte atomkraftmikroskopi. Using high-magnification POM images, 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. For at opnå dette, 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.

Outlook

På denne måde 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