Veelzijdige benaderingen om asymmetrische Van der Waals-interacties te ontwikkelen, kunnen het palet van materiaalontwikkeling uitbreiden via bottom-up engineeringprocessen. In een nieuwe studie, HA Fuster en een onderzoeksteam in chemische en biologische engineering, en wiskunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, Wisconsin, en Cornell University New York, ONS., demonstreerde de polymerisatie van vloeibare kristallen (LC) om van der Waals-interacties te programmeren. Ze voerden de experimenten uit met behulp van een kinetisch gecontroleerd colloïdadsorptieproces met sondes en voerden aanvullende berekeningen uit om aan te geven dat LC-ordening van der Waals-interacties over de oppervlakken van microdeeltjes zou kunnen programmeren. Ze ontwierpen de diverse LC-configuraties door opsluiting om frisse ideeën te bieden om van der Waals-interacties te programmeren, zachte materie te assembleren. De resultaten zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

De assemblage van deeltjes in clusters en netwerken ligt ten grondslag aan de vorming van verschillende vormen van zachte materie, waaronder schuim, emulsies, en dunnefilmcoatings. Hoewel de meeste onderzoeken in het verleden zich richtten op materialen gevormd door interacties tussen deeltjes, recente studies zijn verder gegaan met het ontwerpen van zachte materialen via een bottom-up assemblage van deeltjes die coderen voor anisotrope interacties tussen deeltjes. Van der Waals-interacties zijn alomtegenwoordig in alle deeltjessystemen en vertegenwoordigen een andere veelbelovende benadering om de assemblage van zachte materie te programmeren. In dit rapport wordt Fuster et al. onderzochten een benadering om de symmetrie van van der Waals-interacties in deeltjessystemen te beheersen op basis van de synthese van polymere microdeeltjes uit vloeibare kristallen (LC's). Ze beschreven hoe de qua samenstelling homogene en sferische polymere microdeeltjes goed gedefinieerde patronen van oriëntatievolgorde hebben om van der Waals-interacties met complexe symmetrieën te coderen.

Manipuleren van vloeibare kristallen (LC's) opgesloten in microschaaldomeinen.

Het team polymeriseerde LC-microdruppeltjes (vloeibaar kristal), bereid als olie-in-water-emulsies om aan te tonen hoe de interne oriëntatieorde de ruimtelijke variatie van van der Waals-interacties over de oppervlakken van microdeeltjes zou kunnen afstemmen. Ze onderzochten deze interacties met een polystyreen (PS) colloïde ter grootte van een micron. Van der Waals-interacties omvatten gezamenlijk dipool-dipool (Keesom), dipool-geïnduceerde dipool (Keesom), dipool-geïnduceerde dipool (Debye) en instantane dipool-geïnduceerde dipool (Londen) interacties. De interacties kunnen worden berekend met behulp van de Lifshitz-theorie door middel van laagfrequente en hoogfrequente componenten van de diëlektrische responsfunctie ten opzichte van de samenstellende materialen. Fuster et al. gebruikten LC's om microdeeltjes met de gewenste interne oriëntatievolgorde te synthetiseren en gebruikten die interne configuratie om complexe maar voorspelbare ruimtelijke patronen van van der Waals-interacties te programmeren. De resultaten en berekeningen lieten zien hoe LC's de basis vormden voor een veelzijdige benadering van het programmeren van Van der Waals-interacties, vergelijkbaar met de conventionele bottom-up assemblageprocessen in de materiaalkunde.

Eerdere studies hadden een opmerkelijk divers scala aan organisatie van LC's in microdruppels gerapporteerd, waaronder chirale en achirale LC's gevormd uit organische en waterige fasen. Het team onderzocht eerst achirale LC's gevormd via verschillende chemische mengsels in dit werk, waarbij de verbindingen anisotrope diëlektrische responsfuncties hadden. Het team verspreidde het LC-mengsel vervolgens in glycerol en vormde LC-druppeltjes ter grootte van een micron met een bipolaire configuratie. De polymere microdeeltjes behielden de bipolaire configuratie van LC-druppels waaruit ze werden gevormd na fotopolymerisatie, zoals bevestigd met microfoto's met helder veld en gepolariseerd licht. De wetenschappers brachten vervolgens de ruimtelijke variatie van de van der Waals-interacties over oppervlakken van gepolymeriseerde bipolaire microdeeltjes in kaart door polystyreensondecolloïden (1 µm diameter) omkeerbaar te adsorberen op dergelijke microdeeltjesoppervlakken.

Onderzoek van van der Waals interacties tussen de probe colloïden en microdeeltjes.

Ze interpreteerden de experimentele waarnemingen met betrekking tot van der Waals-interacties tussen de probe-colloïden en LC-microdeeltjes. Bijvoorbeeld, het team kwantificeerde de verdeling van sondecolloïden geadsorbeerd op oppervlakken van bipolaire microdeeltjes in aanwezigheid van zout water, waarbij het aantal met de tijd toenam in een kinetisch gecontroleerd aggregatieproces. Voor controle-experimenten, ze herhaalden de methoden met behulp van LC (vloeibaar kristal) microdeeltjes gepolymeriseerd in de radiale configuratie. Op basis van de resultaten, Fuster et al veronderstelden dat de patroonvorming van probe-colloïden op bipolaire microdeeltjes voortkwam uit de van der Waals-interacties die werden gecodeerd door oriënterende ordening van moleculen in de bipolaire microdeeltjes. Ze ondersteunden de hypothese met berekeningen om aan te geven dat de oriëntaties van LC's in microdeeltjes kunnen worden gebruikt om voldoende grote variaties in van der Waals-interacties te coderen, waardoor directe bottom-up assemblage van zachte-materiesystemen mogelijk is.

Het team onderzocht vervolgens de theoretische voorspellingen van de interne ordening van bipolaire LC-microdeeltjes en berekende hun aantrekkelijke interactie-energieën. Ze merkten op dat de van der Waals-interacties tussen de sondecolloïden en de bipolaire microdeeltjes sterker waren in het equatoriale gebied, en consistent met experimentele waarnemingen. De verandering in diëlektrische respons die werd ervaren door een sondecolloïde nabij een bipolair microdeeltje werkte als een sterke verankeringsenergie en van der Waals-interacties waren bijzonder gevoelig voor dergelijke oppervlakteverankeringsenergieën.

Fuster et al. bestudeerde vervolgens de netto interactie-energie tussen een sondecolloïde en de gepolymeriseerde bipolaire microdeeltjes als de som van aantrekkelijke van der Waals en afstotende dubbellaagse interacties. Voor extra ondersteuning van hun hypothese dat van der Waals-interacties kunnen worden gecodeerd door interne configuraties van LC-microdeeltjes, het team bereidde LC-microdeeltjes met dipolaire symmetrie. Ze noteerden de zeta-potentiaalmetingen van deze microdeeltjes om waarden op te leveren die vergelijkbaar waren met de gepolymeriseerde bipolaire LC-microdeeltjes. Op basis van de experimentele resultaten, Fuster et al. bevestigde dat het manipuleren van de LC-ordening binnen de microdeeltjes een veelzijdige benadering bood voor patroon van der Waals-interacties over de oppervlakken van microdeeltjes.

Op deze manier, HA Fuster en collega's karakteriseerden anisotrope van der Waals-interacties geprogrammeerd in microdeeltjes door de interne LC-ordening te regelen en kinetisch gecontroleerde colloïdadsorptie over het oppervlak van de LC-microdeeltjes te kwantificeren. De experimenten en ondersteunende berekeningen toonden aan dat de ruimtelijke variatie van van der Waals-interacties over de oppervlakken van LC-microdeeltjes zo groot was als 20 K _B T. Deze omvang is groot genoeg om de bottom-up assemblage van zachte materialen te realiseren. De wetenschappers interpreteerden de experimentele waarnemingen met betrekking tot van der Waals-interacties tussen LC-microdeeltjes (vloeibaar kristal) en sonde-colloïden. De resultaten legden de basis voor een algemene en eenvoudige benadering voor het programmeren van van der Waals-interacties in colloïdale zachte-materiesystemen, omdat de wetenschappers de volgorde van LC's konden variëren en ze konden manipuleren in een reeks experimentele geometrieën. De principes van deze studie zullen van toepassing zijn op een reeks verschijnselen van zachte materie, waaronder adhesie- en bevochtigende oppervlakken, inclusief de vorming van colloïdale assemblages zoals glazen, Kristallen, en gels.

© 2020 Wetenschap X Netwerk