Электростатически Контролируемые Поверхностные Граничные Условия В Нематических Жидких Кристаллах И Коллоидах

Электростатически Контролируемые Поверхностные Граничные Условия В Нематических Жидких Кристаллах И Коллоидах

Жидкие кристаллы отличаются от изотропных жидкостей (жидкостей со схожими свойствами в разных направлениях) тем, что они проявляют сильно анизотропные (изменяющиеся свойства в разных направлениях) взаимодействия с поверхностями. В новом отчете по научным достижениям Харидас Мундур и междисциплинарная исследовательская группа в отделах физики и исследования мягких материалов, электротехники, вычислительной техники и энергетики США контролировали выравнивание поверхности нематических молекул (сильных рассеивателей света из-за теплового излучения). колебания внутри жидких кристаллов). Контролируя содержание ионов, ученые настраивали ориентацию анизотропных, похожих на тромбоциты частиц. Получающиеся в результате анизотропные, упругие и электростатические взаимодействия способствовали образованию коллоидных кристаллов с изменяемой симметрией и ориентацией. Они использовали конкурирующие выравнивающие эффекты поверхностной функционализации и электрического поля, которое возникло из-за экспериментальной поверхностной зарядки и объемных противоионов в установке.googletag.cmd.push (function () {googletag.display ('div-gpt-ad-1449240174198-2');});

Жидкие кристаллы (ЖК) нашли применение от световых дисплеев до биомедицинских датчиков благодаря их анизотропным поверхностным взаимодействиям. Такие поверхностные взаимодействия могут определять граничные условия для молекул на поверхностях частиц, что позволяет ученым в конечном итоге определить дефекты и взаимодействия, вызванные в ходе фундаментальных исследований коллоидов ЖК. Для частиц с анизотропной формой коллоидные сборки и фазы, которые сильно зависят от этих граничных условий, варьируются от плоской к наклонной и перпендикулярной ориентации. Чтобы определить ориентации поверхности в области директора ЖК, ученые обычно используют анизотропную часть свободной энергии поверхности, известную как «энергия привязки». Для данного ЖК исследователи могут контролировать энергию привязки, используя химические или топографические модификации, механическое трение или фотоцентрирование. методы.Ограниченный контроль над поверхностной фиксацией может затруднить использование ЖК в коллоидных сборках и технических приложениях.

В настоящей работе Mundoor et al. сообщили о влиянии ионов на свойства сцепления с поверхностью и определили поведение анизотропных коллоидов, диспергированных в нематическом жидком кристалле. Ученые контролировали содержание ионов в ЖК, чтобы продемонстрировать систематическое изменение граничных условий. Затем они показали, как равновесные ориентации заряженных коллоидных частиц изменились относительно направления дальнего поля, и продемонстрировали последующую самосборку коллоидных решеток с различными кристаллографическими симметриями.

Исследовательская группа синтезировала микрокристаллы β-NaYF4: Yb / Er в форме тромбоцитов с использованием модифицированного гидротермального метода. Они оптимизировали химический синтез для получения круглых тромбоцитов со средним диаметром 2 мкм и толщиной 20 нм, что они подтвердили с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Когда ученые возбудили тромбоциты с помощью инфракрасного лазера с длиной волны 980 нм, частицы показали повышенное свечение.Затем ученые химически обработали частицы для поверхностной зарядки, покрыли диоксидом кремния толщиной 5 нм и функционализировали метоксисилан-полиэтиленгликолем.

Команда диспергировала частицы, покрытые силикагелем, в жидком кристалле 4-циано-4'-пентилбифенила (5 CB), смешивая его с разбавленной коллоидной дисперсией в этаноле с последующим выпариванием растворителя при 700 ° C в течение 2 часов. Затем они охлаждают частицы до нематической фазы при быстром механическом перемешивании. Мундур и соавт. инфильтрировали последующие коллоидные дисперсии в стеклянные ячейки толщиной 30 мкм и герметизировали их быстросхватывающимся эпоксидным клеем. Они способствовали планарным граничным условиям, покрывая внутренние поверхности стеклянных ячеек поливиниловым спиртом с последующим изучением дисперсии и выравнивания частиц в ЖК с помощью оптической микроскопии. Они изучили поляризационные оптические микрофотографии, чтобы выявить конфигурации частиц в различных ориентациях, а также реакцию тромбоцитов на электрические и магнитные поля в LC и изотропных средах.

Затем исследователи сформировали экспериментальную ячейку, используя две стеклянные подложки с плотными слоями тромбоцитов, покрытыми прядением, на их внутренних поверхностях. Используя экспериментальную установку, они измерили задержку оптической фазы этих ячеек, чтобы выявить наклон на 49 градусов относительно подложек, который команда могла бы дополнительно контролировать с помощью ионного легирования в системе. Исследователи электростатически контролировали граничные условия на ограничивающих поверхностях клеток, покрывая их тромбоцитами или используя материалы подложки с перестраиваемой поверхностной зарядкой.

Диффузия частиц в системе зависела от взаимодействия анизотропных вязкоупругих свойств ЖК и анизотропии формы ориентированных частиц. Например, тромбоциты с перпендикулярными или плоскими граничными условиями искажают директора ЖК, образуя упругие квадруполи, встроенные в однородный фон. Исследовательская группа использовала видеомикроскопическое отслеживание положения тромбоцитов для определения коэффициентов диффузии. Исследователи наблюдали более сильную диффузионную анизотропию для частиц с перпендикулярным закреплением, где анизотропия формы влияла на диффузию частиц.

Легирование ионными добавками, такими как NaCl, привело к тому, что противоионы (которые поддерживают электрическую нейтральность) адсорбируются на поверхностях частиц, что эффективно снижает поверхностный заряд и напряженность электрического поля (EDL). После легирования тромбоциты также постепенно переориентируются со временем от первоначального выравнивания из-за изменения поверхностных зарядов. Например, тромбоциты постепенно изменяли форму от отдельных ориентаций в течение нескольких сотен секунд, прежде чем перейти к следующей ориентации. Детальный механизм адсорбции противоионов в ходе процесса еще предстоит выяснить и объяснить с помощью дополнительных исследований.

Mundoor et al. заметил, что тромбоциты образуют кристаллические сборки в высоких концентрациях из-за конкурирующих упругих и неупругих взаимодействий. Результаты показали возможность создания коллоидных кристаллов с кристаллографией, регулируемой ионным легированием, где добавление соли изменяло самосборку. Тромбоциты с высоким зарядом (+ 300e) показали гомеотропное закрепление и образовали ромбическую решетку.Когда заряд уменьшился до + 100e, они применили ионную привязку и наклон для сборки в наклонную решетку с различными параметрами. Когда тромбоциты с наименьшим зарядом + 20е и планарной привязкой выровнены перпендикулярно клеточным субстратам, они образовали ромбическую решетку. Мундур и соавт. может магнитно и электрически реконфигурировать двумерные (2-D) решетки в кристаллографических плоскостях, параллельных клеточным подложкам, чтобы получить разнообразные 3-D кристаллы. Такие трехмерные кристаллы могут быть дополнительно выровнены путем настройки ориентации тромбоцитов и электростатического изменения пространства между кристаллографическими плоскостями в будущей работе.

Таким образом, Харидас Мундур и его коллеги контролировали закрепление свободной энергии и граничных условий на коллоидных частицах и ограничивающих поверхностях жидких кристаллов (ЖК), настраивая поверхностные заряды и изменяя концентрацию ионной добавки. Работа позволила им контролировать выравнивание LC относительно ограничивающих поверхностей и контролировать ориентацию анизотропных коллоидных частиц, таких как тромбоциты, относительно однородного фона в дальней зоне.Исследователи стремятся провести дальнейшие исследования того, как топологические дефекты на поверхности частиц и в объеме ЖК могут опосредовать поглощение противоионов. Они также изучат, как неоднородные электростатические двойные слои могут генерироваться из анизотропной природы ЖК в будущей работе.

© 2019 Science X Network

.