Oscillerende stroming en lichtpulsen kunnen worden gebruikt om een ​​herconfigureerbare architectuur in vloeibare kristallen te creëren. Materiaalwetenschappers kunnen zorgvuldig gecoördineerde microfluïdische stromen en gelokaliseerde optothermische velden ontwerpen om controle over nucleatie te bereiken, groei en vorm van dergelijke vloeibare domeinen. In vergelijking, zuivere vloeistoffen in thermodynamisch evenwicht zijn structureel homogeen. Experimenteel werk op basis van theorie en simulaties heeft aangetoond dat als de vloeistoffen in een gecontroleerde staat van niet-evenwicht worden gehouden, de resulterende structuren kunnen voor onbepaalde tijd worden gestabiliseerd.

Gebeeldhouwde vloeistoffen kunnen toepassingen vinden in microfluïdische apparaten om opgeloste stoffen en deeltjes selectief in optisch actieve compartimenten in te kapselen om te interageren met externe stimuli voor een verscheidenheid aan medische, gezondheidszorg en industriële toepassingen. In een recente studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Tadej Emeršič en collega's in Slovenië en de VS ontwikkelden pure nematische vloeibare kristallen (NLC), waar ze defecten en herconfigureerbare toestanden van de materialen dynamisch manipuleerden door de gelijktijdige toepassing van meerdere externe velden.

Vaste materialen kunnen tegelijkertijd verschillende structurele fasen vertonen, een eigenschap die kan worden gemanipuleerd om functionaliteit te ontwikkelen. Echter, in zuivere vloeistoffen bij evenwicht, dergelijke structurele fasen die overeenkomen met korrelgrenzen en defecten komen niet voor. Hoewel vloeistoffen een aantal aantrekkelijke eigenschappen hebben, waaronder het vermogen om oppervlakken te bevochtigen, hoge diffusiecoëfficiënten en absolute naleving aantonen, het is een uitdaging om extra functionaliteiten aan vloeistoffen toe te voegen vanwege hun inherente homogeniteit. Complex gedrag wordt waargenomen in synthetische en biologische mengsels met meerdere componenten en de resulterende structuren zijn moeilijk te manipuleren omdat ze voorkomen in situaties die niet in evenwicht zijn. Dergelijke situaties omvatten in het algemeen meerdere componenten met scherpe mengbaarheid en ook gradiënten tussen hydrofiele en hydrofobe domeinen.

Wetenschappers hebben actieve materie ontwikkeld in de vorm van levende kolonies en bio-geïnspireerde synthetische tegenhangers. Ze drukten hydrofobe/hydrofiele domeinen af ​​op vloeibare mengsels door te vertrouwen op oppervlakteactieve nanodeeltjes en gecontroleerde niet-evenwichtssystemen om de beweging en overgang tussen verschillende reologische regimes aan te tonen. Vloeibare kristallen (LC's) zijn een ideaal systeem om de verschijnselen van belang te bestuderen, zoals spontane symmetriebreking, topologische defecten, oriëntatieordening en op externe stimuli gebaseerde faseovergangen.

Nematische vloeibare kristallen (NLC's) zijn de eenvoudigste vorm van vloeibare kristalmoleculen zonder geordende posities, en ze onderscheiden zich van zuivere vloeistoffen op het niveau van de moleculaire oriëntatie. NLC's hebben een reeks eigenschappen waardoor ze kunnen dienen als microreactoren en inherente polymerisatiereacties kunnen uitvoeren voor intrigerende toekomstige toepassingen. Het huidige werk in het veld is nog experimenteel, bijvoorbeeld, nematische stromen in microfluïdische omgevingen, die de mogelijke overspraak tussen topologische defecten op verschillende gebieden van snelheid en moleculaire oriëntatie benadrukken.

In dit werk, de wetenschappers observeerden voor het eerst de fase-interface met NLC's, experimenteel bereikt door het genereren van polaire fasedomeinen die werden gecontroleerd door microfluïdische opsluiting te combineren, vloeistofstroomsnelheden en laserpulsen in de praktijk. Emersic et al. gebruikte het ééncomponent nematische materiaal pentyl-cyanobifenyl (5CB) in alle experimenten die werden uitgevoerd in lineaire microfluïdische kanalen met een rechthoekige dwarsdoorsnede. De wetenschappers vervaardigden de kanalen met polydimethylsiloxaan (PDMS) reliëf en met indiumtinoxide (ITO) gecoate glassubstraten met behulp van standaard zachte lithografieprocedures. Vervolgens vulden ze de microfluïdische kanalen met 5CB in de verwarmde isotrope fase en lieten het afkoelen tot de nematische fase, voordat u met de stromingsexperimenten begint. De wetenschappers hebben de microkanaalwanden ook chemisch behandeld om een ​​sterk homeotroop oppervlak te ontwikkelen om de 5CB-moleculen te verankeren.

Het werk vertegenwoordigde een ideaal experimenteel model van een quasi-tweedimensionale (2D) oriëntatiemateriaalfase. In de aanvankelijke stationaire toestand binnen een microfluïdisch kanaal, het verwarmde materiaal leek zwart. Toen de stroom werd ingeschakeld, afhankelijk van de stroomsnelheid, het dubbelbrekende uiterlijk veranderde van zwart naar felle kleuren. De stroomuitgelijnde domeinen evolueerden op deze manier om te groeien of te vernietigen met stroomsnelheid.

De materiaalwetenschappers noemden het stroomregime de 'bowser-toestand' vanwege het gebogen profiel van het materiaal en de stroom-uitgelijnde toestand als de 'dowser-toestand' vanwege zijn analogie met het zogenaamde wichelroedeveld in nematostatica, waarbij nematostatica de ladingsdichtheid is van elastische nematische materialen, analoog aan elektrostatica. De wichelroedeloper heeft een anisotrope oriëntatie met zijn eigen elastische gedrag, topologische defecten en solitonen (een solitair golfpakket dat zijn vorm behoudt terwijl het zich met constante snelheid voortplant). In vergelijking, de bowser-toestand is effectief isotroop en eenvoudig in de vereenvoudigde 2D-weergave. De wetenschappers waren in staat om de vorm te controleren, splitsing en samensmelting van deze fasedomeinen.

Emersic et al. alle experimenten bij kamertemperatuur uitgevoerd, aansturen en regelen van de vloeistofstroom in het microkanaal met een drukgestuurd microfluïdisch stroomregelsysteem. Ze bestudeerden de stromingsregimes, heroriëntatiedynamiek en stroomgedreven vervormingen van 5CB in de microkanalen met behulp van gepolariseerd lichtmicroscopie. De wetenschappers bouwden een laserpincet rond de omgekeerde optische microscoop met een IR-vezellaser die werkt bij 1064 nm als lichtbron, en een paar akoestisch-optische deflectors aangedreven door een geautomatiseerd systeem om de straal nauwkeurig te manipuleren.

In de studie, de flow-aligned dowser-toestand was stabiel onder sterke stromingen maar onstabiel bij zwakke stroming. Afhankelijk van de stroomsnelheid, de wichelroedeloperdomeinen zouden kunnen groeien en krimpen in de experimenten zoals te zien is in numerieke simulaties. De wetenschappers berekenden de criteria voor groei en krimp van domeinen in de tijd en gaven aan hoe de domeinen groeiden, langs het kanaal gekrompen of vernietigd.

Door het laserpincet voorzichtig aan te brengen, de wetenschappers toonden aan dat een gestage stroom van domeinen kon worden geproduceerd door de oorspronkelijke bulk wichelroede te ontleden met een bewegende laservlek, waar de laser de zijkanten van de fasegrens van het materiaal smolt. Een groeiend domein bij hogere stroomsnelheid zou dus longitudinaal in tweeën kunnen worden gesplitst, met een statische laserstraal bij lage lichtintensiteiten.

Het laserpincet maakte dynamische controle over de grootte mogelijk, aantal en levensduur van gegenereerde dowser-domeinen, die verder werden gemanipuleerd door de periodieke stroomsnelheid te moduleren. Bijvoorbeeld, onder uniforme stroom, het wichelroedeveld uniform uitgelijnd langs de stroomrichting om te groeien of te krimpen, afhankelijk van het regime van de snelheid. De wetenschappers waren in staat om de stroom af te stemmen en actief te regelen als een domein van constante grootte dat gedurende meer dan tien seconden stabiel kon worden gehandhaafd.

Verder, in het model ontwikkeld door Emeršič et al., ze lieten zien hoe de stroomrichting kon worden omgekeerd voor het wichelroedeloperdomein, wat leidt tot een snelle omkering van de oriëntatie van de vorige evenwichtstoestand. In aanvulling, het wichelroedeveld kan worden gekoppeld aan externe magnetische en elektrische velden en gradiënten van de kanaaldikte om de controle te bepalen, flowsturing en optische afstemming van het 5CB nematische materiaal. De wetenschappers observeerden de directe respons op de externe stimuli duidelijk door dubbele breking in het onderzoek en bepaalden dat dit een geschikte methode was om de visco-elastische en reologische eigenschappen van het materiaal te meten.

Emersic et al. zich de mogelijkheid voorstellen om in dergelijke gesloten volumes in de praktijk chemische reacties uit te voeren, zoals eerder getoond met vloeibare kristalsjablonen. Naast dat, gebaseerd op de principes die door Emeršič en collega's zijn geschetst, een 3D-printsysteem kan worden ontworpen om vloeistoffen te bevatten, waarbinnen complexe en onevenwichtige structuren kunnen worden gecreëerd en gestabiliseerd. De experimentele modellen die in deze studie zijn ontwikkeld met behulp van standaard thermotrope LC's zijn ook overdraagbaar naar actieve en biologische materialen met nematisch gedrag. De voorgestelde en gedemonstreerde methode is een technisch hulpmiddel in de materiaalkunde, met mogelijke toepassingen in de biofysica, scheikunde en chemische technologie.

© 2019 Wetenschap X Netwerk