In eerdere kranten, Natuurkundigen van de Universiteit van Pennsylvania onderzochten het "koffieringeffect, " de ringvormige vlek van deeltjes die achterblijft nadat koffiedruppels zijn verdampt. In één papier, ze leerden hoe ze dit effect ongedaan konden maken door de vorm van de deeltjes te veranderen. Nutsvoorzieningen, in een nieuw artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie , ze hebben het complexe en opmerkelijk verschillende gedrag blootgelegd dat ontstaat in een vloeibare kristaldruppel die aan het drogen is.

Het onderzoek, uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van Lehigh University en Swarthmore College, onthult nieuwe gedragskenmerken van vloeibare kristallen, vloeistoffen met uitgelijnde fasen van samenstellende moleculen. De vorming van verschillende fasen tijdens het drogen leidt tot dramatisch verschillende vloeistofbewegingen en vaste depositie en verschaft ook inzicht dat nodig is voor de beheersing van droogoplossingen van macromoleculen die in veel kleurstoffen en farmaceutische formuleringen voorkomen.

Penn-alumnus Zoey Davidson, nu een postdoc aan het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Duitsland, had geëxperimenteerd met Sunset Yellow, een kleurstof die Doritos en sinaasappelfrisdranken hun heldere kleuren geeft, toen hij per ongeluk wat van het materiaal morste.

"Ik merkte dat het morspatroon dat door de druppel achterbleef vergelijkbaar was met koffiepatronen die we eerder hadden bestudeerd, maar er waren ook verschillen, Davidson zei. "De drogende druppels hadden een macroscopisch zichtbare inwendige structuur, te."

davidson, samen met Arjun Yodh, directeur van het Laboratorium voor Onderzoek naar de Structuur van Materie en de James M. Skinner Professor of Science in de Department of Physics &Astronomy in de School of Arts &Sciences in Penn, en Peter Collings van Swarthmore, een adjunct-professor aan Penn, besloot toen om dit op een meer gecontroleerde manier te onderzoeken. Penn-professor Randall Kamien, niet-gegradueerde alumnus Adam Gross en postdocs Angel Martinez en Tim Still droegen ook bij aan het onderzoek. De groep werkte samen met Chao Zhou van Lehigh en zijn Ph.D. student Yongyang Huang.

In tegenstelling tot de deeltjes in een koffiedruppel, de vloeibare kristaldruppel die ze bestudeerden was een oplossing van zonnegele moleculen die spontaan combineren om staafachtige macromoleculaire assemblages te vormen, vergelijkbaar met hoe staafvormige moleculen de vloeibare kristallen vormen die in LCD's worden gebruikt.

"Vloeibare kristallen zijn een fase van materie, ’ zei Collings, "net als de meer bekende solide, vloeistof- en gasfasen. Het zijn vloeistoffen, wat betekent dat ze de vorm aannemen van hun container, maar in tegenstelling tot vloeistoffen is er enige ordening tussen de bestanddelen waaruit de stof bestaat. Dus, hoewel de bestanddelen zich verspreiden zoals in vloeistoffen, ze handhaven een aantal oriënterende en soms positionele volgorde."

Terwijl de vloeibare kristallen die in LCD's worden gebruikt, genaamd thermotrope vloeibare kristallen, zijn gemaakt van moleculen waaraan niets anders is toegevoegd, de in dit experiment gebruikte vloeibare kristallen waren chromonische vloeibare kristallen. Chromonische vloeibare kristallen bestaan ​​uit assemblages van moleculen gedispergeerd in vloeibaar water.

Tijdens het drogen, de Sunset Yellow-concentratie varieerde binnen de druppel, en microscoopbeelden onthulden de vorming van verschillende vloeistoffasen zoals de isotrope vloeistof (willekeurig), vloeibare kristal nematische (uitgelijnde) en vloeibare kristal kolomvormige (cilindrisch gepakte) fasen die scheiden naar verschillende gebieden van de druppel.

"Als je naar de daling in de loop van de tijd kijkt, "Jodh zei, "het is niet uniform; het heeft veel structuur."

Het centrale deel van de druppel was isotroop, en het was omgeven door de uitgelijnde nematische fase. De grens tussen de twee fasen verschoof naar het midden terwijl de druppel opdroogde, en toen verschenen andere regio's met verschillende structuren, zoals de kolom- en kristalfasen.

"Het is een kwalitatieve sprong om te gaan van een daling, dat is een fase die alleen maar meer geconcentreerd wordt, "Jodh zei, "tot een druppel die kan veranderen in verschillende fasen, afhankelijk van de concentratie. De verschillende fasen scheiden en beïnvloeden de viscositeit en convectie in verschillende gebieden van de druppel."

Ze merkten ongebruikelijke dynamiek in het droogproces, maar vonden het moeilijk om deze processen te onderscheiden met eenvoudige microscopie. Daarom bundelden ze hun krachten met Zhou en Huang om optische coherentiemicroscopie toe te passen om de stroom in de druppeltjes te volgen. De nieuwe microscoop onthulde cirkelvormige stroompatronen, of Marangoni-stromingen, circuleren in een richting tegengesteld aan die gezien in andere oplossingen. Deze circulatieafwijking was te wijten aan de ongebruikelijke oppervlaktespanningseigenschappen van Sunset Yellow.

Omdat verdamping het snelst gebeurt aan een buitenrand in een opdrogende druppel koffie, vast materiaal in de druppel wordt getransporteerd van het midden van de druppel naar de buitenrand, steeds meer koffiebonen mee.

"Deze koffiebonen hopen zich op aan de rand, ’ zei Collings, "en nadat de druppel volledig is opgedroogd een mooie, donkere ring van koffiedeeltjes resulteert."

Uiteindelijk, afzetting uit de drogende vloeibare kristaldruppel was niet ringvormig of uniform.

"Vaak, ’ zei Collings, "het bestaan ​​van vloeibare kristalfasen verhoogt de viscositeit en verlaagt de snelheid waarmee materiaal beweegt, dus de uiteindelijke vorm lijkt op een vulkaan of een verzonken soufflé."

Hoewel er andere onderzoeken zijn geweest waarbij meerdere fasen ontstaan ​​bij het drogen en verdampen van druppels, vooral in de buurt van de drop edge, dit is de eerste keer dat onderzoekers meerdere vloeibare kristalfasen hebben onderzocht en begrepen hoe visco-elastische effecten en andere eigenschappen van vloeibare kristallen het uiteindelijke droogdepositiepatroon beïnvloeden.

"We verleggen een grens, " zei Yod, "We weten dat veel systemen deze eigenschappen kunnen hebben, en dit onderzoek is belangrijk als je wilt begrijpen wat ze gaan doen."

Veel technologieën zijn afhankelijk van het op een precieze manier afzetten van materiaal door verdamping van een oplosmiddel. Aangezien vloeibare kristalachtige fasen veel voorkomen bij kleurstoffen en farmaceutische producten, dit onderzoek zou in de toekomst potentiële toepassingen kunnen hebben.

"Je hoeft alleen maar aan inkjetprinten te denken, ’ zei Collings, "om een ​​extreem algemeen en bruikbaar voorbeeld te realiseren. Als dergelijke processen stoffen bevatten die vloeibare kristalfasen vormen, zoals veel kleurstoffen en medicijnen doen, dan zal het begrip dat door onze experimenten is verkregen belangrijk zijn bij het bereiken van de gewenste resultaten."

Maar veel van het belang van dit werk ligt op het gebied van fundamentele wetenschap.

"Ons nieuwe begrip van hoe druppeltjes van een andere klasse materialen drogen, ’ zei Collings, "onderbouwt enkele concepten die eerder zijn ontwikkeld, maar breidt onze kennis ook uit naar gebieden waar het gedrag anders is."

De onderzoekers hopen een vervolg te geven op enkele van de interessante observaties die ze hebben gedaan over de structuren die zich vormen als het materiaal opdroogt.

"De patronen van materiaal die zich vormen, "Jodh zei, "worden beïnvloed door zowel traditionele evenwichtsthermodynamica als door vloeistofconvectie en nieuwe structuren met nieuwe vergrendelde topologieën als resultaat."

Dit fenomeen kunnen beheersen zou een spannende volgende stap zijn.

"Dat is het grappige van kijken naar het drogen van verf, ' zei Davidson. 'Er gebeuren eigenlijk al deze coole dingen in de druppel.'