Vloeibare kristallen verschillen van isotrope vloeistoffen (vloeistoffen met vergelijkbare eigenschappen in verschillende richtingen) om zeer anisotrope (varierende eigenschappen in verschillende richtingen) interacties met oppervlakken te vertonen. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Haridas Mundoor en een interdisciplinair onderzoeksteam in de afdelingen natuurkunde en onderzoek naar zachte materialen, elektrisch, computer- en energietechniek in de VS, regelde de oppervlakte-uitlijning van nematische moleculen (sterke verstrooiers van licht als gevolg van thermische fluctuaties in vloeibare kristallen). Door het ionengehalte te regelen, de wetenschappers stemden de oriëntaties van de vorm-anisotrope, bloedplaatjesachtige deeltjes. De resulterende anisotrope, elastische en elektrostatische interacties vergemakkelijkten colloïdale kristallen met herconfigureerbare symmetrieën en oriëntaties. Ze maakten gebruik van de concurrerende afstemmingseffecten van oppervlaktefunctionalisering en het elektrische veld dat ontstond als gevolg van experimentele oppervlaktelading en bulktegenionen in de opstelling.

Vloeibare kristallen (LC's) hebben toepassingen gevonden van lichtdisplays tot biomedische sensoren, vanwege hun anisotrope oppervlakte-interacties. Dergelijke oppervlakte-interacties kunnen randvoorwaarden definiëren voor moleculen op deeltjesoppervlakken, waardoor wetenschappers uiteindelijk de defecten en interacties kunnen bepalen die zijn geïnduceerd tijdens fundamentele studies van LC-colloïden. Voor vormanisotrope deeltjes, colloïdale samenstellingen en fasen die sterk afhankelijk zijn van deze randvoorwaarden varieerden van vlakke tot gekantelde en loodrechte oriëntaties. Om de oppervlakteoriëntaties in het LC-directorveld te bepalen, wetenschappers gebruiken over het algemeen het anisotrope deel van oppervlakte-vrije energie, bekend als de 'verankeringsenergie'. onderzoekers kunnen de verankeringsenergie controleren met behulp van chemische of topografische modificaties, mechanisch wrijven of foto-uitlijningstechnieken. Beperkte controle op oppervlakteverankering kan het gebruik van LC's in colloïdale assemblage en technische toepassingen belemmeren.

In het huidige werk, Mundoor et al. rapporteerde de invloed van ionen op oppervlakteverankeringseigenschappen en definieerde het gedrag van anisotrope colloïden gedispergeerd in een nematisch vloeibaar kristal. De wetenschappers controleerden het ionengehalte in de LC om een ​​systematische variatie van randvoorwaarden aan te tonen. Ze toonden vervolgens aan hoe evenwichtsoriëntaties van geladen colloïdale deeltjes veranderden ten opzichte van de richting van het verre veld en demonstreerden de daaruit voortvloeiende zelfassemblage van colloïdale arrays met diverse kristallografische symmetrieën.

Het onderzoeksteam synthetiseerde bloedplaatjes-vormige β-NaYF ₄ :Yb/Er-microkristallen met behulp van een gemodificeerde hydrothermische methode. Ze optimaliseerden de chemische synthese om cirkelvormige bloedplaatjes op te leveren met een gemiddelde diameter van 2 µm en een dikte van 20 nm, die ze bevestigden met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). Toen de wetenschappers de bloedplaatjes opgewonden met een 980 nm infraroodlaser, de deeltjes vertoonden luminescentie-upconversie. De wetenschappers behandelden de deeltjes vervolgens chemisch voor oppervlaktelading, gecoat met 5 nm dik silica en gefunctionaliseerd met methoxysilaan polyethyleenglycol.

Het team verspreidde de met silica bedekte deeltjes in 4-cyano-4'-pentylbifenyl (5 CB) vloeibaar kristal door het te mengen met een verdunde colloïdale dispersie in ethanol, gevolgd door verdamping van het oplosmiddel bij 70 ⁰ C gedurende 2 uur. Vervolgens koelden ze de deeltjes af tot de nematische fase onder snel mechanisch roeren. Mundoor et al. infiltreerden de resulterende colloïdale dispersies in 30 µm dikke glazen cellen en verzegelden ze met een snelhardende epoxylijm. Ze bevorderden de vlakke randvoorwaarden door de binnenoppervlakken van de glascellen te coaten met polyvinylalcohol, gevolgd door het bestuderen van de dispersie en uitlijning van deeltjes binnen de LC met behulp van optische microscopie. Ze bestudeerden de polariserende optische microfoto's om configuraties van de deeltjes in verschillende oriëntaties te onthullen, evenals de respons van bloedplaatjes op elektrische en magnetische velden in LC en isotrope media.

De onderzoekers vormden vervolgens een experimentele cel met behulp van twee glazen substraten met dichte lagen bloedplaatjes spin-coating op hun binnenoppervlakken. Met behulp van de experimentele opstelling, ze hebben de optische fasevertraging van deze cellen gemeten om een ​​kanteling van 49 graden ten opzichte van substraten te onthullen, die het team verder kon controleren via ionendoping in het systeem. De onderzoekers controleerden elektrostatisch de randvoorwaarden op het beperken van celoppervlakken door ze te bekleden met bloedplaatjes of door substraatmaterialen te gebruiken met afstembare oppervlaktelading.

Deeltjesdiffusie in het systeem was afhankelijk van het samenspel van de anisotrope visco-elastische eigenschappen van LC en de vormanisotropie van de georiënteerde deeltjes. Bijvoorbeeld, de bloedplaatjes met loodrechte of vlakke randvoorwaarden vervormden de directeur van de LC om elastische quadrupolen te vormen die zijn ingebed in een uniforme achtergrond. Het onderzoeksteam gebruikte videomicroscopie om de positie van de bloedplaatjes te volgen om de diffusiecoëfficiënten te bepalen. De onderzoekers observeerden sterkere diffusie-anisotropie voor deeltjes met loodrechte verankering, waar vormanisotropie de diffusie van deeltjes beïnvloedde.

Doping met ionische toevoegingen zoals NaCl zorgde ervoor dat tegenionen (die de elektrische neutraliteit behouden) adsorberen op de deeltjesoppervlakken, die effectief de oppervlaktelading en sterkte van het elektrische veld verminderde (E _DL ). Bij doping, de bloedplaatjes heroriënteerden zich ook stapsgewijs met de tijd vanaf hun oorspronkelijke uitlijning als gevolg van veranderende oppervlakteladingen. Bijvoorbeeld, de bloedplaatjes worden gedurende enkele honderden seconden geleidelijk opnieuw gevormd vanuit discrete oriëntaties, voordat u naar de volgende oriëntatie springt. Het gedetailleerde mechanisme van tegenionadsorptie tijdens het proces moet nog worden begrepen en verder worden uitgelegd via aanvullende studies.

Mundoor et al. waargenomen dat de bloedplaatjes kristallijne assemblages vormden in hoge concentraties als gevolg van concurrerende elastische en inelastische interacties. De resultaten toonden het potentieel om colloïdale kristallen te ontwerpen met kristallografie die kan worden afgesteld door iondotering, waar de toevoeging van zout de zelfassemblage veranderde. Bloedplaatjes met een hoge lading (+300e) vertoonden homeotrope verankering en vormden een ruitvormig rooster. Toen de lading daalde tot +100e, ze hebben ionische verankering en kanteling aangenomen om te assembleren tot een schuin rooster met verschillende parameters. Toen de bloedplaatjes met de laagste lading van +20e en vlakke verankering loodrecht op de celsubstraten waren uitgelijnd, vormden ze een ruitvormig rooster. Mundoor et al. zou de tweedimensionale (2-D) roosters in de kristallografische vlakken evenwijdig aan de celsubstraten magnetisch en elektrisch kunnen herconfigureren om diverse 3D-kristallen op te leveren. Dergelijke 3D-kristallen kunnen verder worden uitgelijnd door de oriëntaties van bloedplaatjes af te stemmen en door de ruimte tussen de kristallografische vlakken in toekomstig werk elektrostatisch te variëren.

Op deze manier, Haridas Mundoor en collega's controleerden de verankerende vrije energie en randvoorwaarden op colloïdale deeltjes en de opsluitende oppervlakken van vloeibare kristallen (LC's) door oppervlakteladingen af ​​te stemmen en door de ionische doteringsconcentratie te veranderen. Het werk stelde hen in staat om de LC-uitlijning met betrekking tot opsluitende oppervlakken te regelen en de oriëntatie van anisotrope colloïdale deeltjes zoals bloedplaatjes, met betrekking tot de uniforme verre veldachtergrond. De onderzoekers willen verder onderzoek doen naar hoe topologische defecten op deeltjesoppervlakken en in de LC-bulk, zou de absorptie van tegenionen kunnen bemiddelen. Ze zullen in toekomstig werk ook onderzoeken hoe inhomogene elektrostatische dubbele lagen kunnen worden gegenereerd uit de anisotrope aard van LC's.

© 2019 Wetenschap X Netwerk