Caratterizzazione della dimensione e dell'orientamento delle piastrine in LC nematico. Micrografie SEM di piastrine prima (A) e dopo (B) rivestimento SiO2. (C) Micrografia TEM di particelle. L'inserto mostra lo strato di SiO2, visibile al bordo della piastrina come una sottile striscia grigia. (D) Schema delle piastrine che mostra un nucleo, rivestimento SiO2, e strato di Si-PEG. (E a H) Micrografie ottiche di piastrine con conica (E), planare (Fa e Sol), e ancoraggio alla superficie perpendicolare (H) sotto il polarizzatore incrociato P e l'analizzatore A senza (a sinistra) e con (a destra) una piastra di ritardo in una cella nematica. (I a L) Diagrammi schematici di n(r) (linee verdi) attorno alle piastrine con coniche (I e J), planare (K), e ancoraggio perpendicolare (L). Il riquadro in (J) è uno schema delle condizioni al contorno coniche degeneri. (M a P) Sequenza sperimentale di micrografie ottiche, con il tempo trascorso segnato, mostra il riorientamento delle piastrine con ancoraggio planare quando viene applicato un campo magnetico B ≈ 480 G normale ai piani dell'immagine. I riquadri mostrano schemi di n(r) attorno a una piastrina 1 a s⊥n0||B in (M) e s⊥n0⊥B in (P). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4257
I cristalli liquidi differiscono dai fluidi isotropi (fluidi con proprietà simili in direzioni diverse) per mostrare interazioni altamente anisotrope (proprietà variabili in direzioni diverse) con le superfici. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Haridas Mundoor e un team di ricerca interdisciplinare nei dipartimenti di fisica e ricerca sui materiali morbidi, elettrico, ingegneria informatica ed energetica negli Stati Uniti, controllava l'allineamento superficiale delle molecole nematiche (forti diffusori di luce dovuti alle fluttuazioni termiche all'interno dei cristalli liquidi). Controllando il contenuto ionico, gli scienziati hanno messo a punto gli orientamenti della forma anisotropa, particelle simili a piastrine. Il risultante anisotropo, le interazioni elastiche ed elettrostatiche hanno facilitato i cristalli colloidali con simmetrie e orientamenti riconfigurabili. Hanno sfruttato gli effetti di allineamento in competizione della funzionalizzazione della superficie e del campo elettrico che è sorto a causa della carica superficiale sperimentale e dei controioni di massa all'interno della configurazione.
I cristalli liquidi (LC) hanno trovato applicazioni dai display luminosi ai sensori biomedici, a causa delle loro interazioni anisotrope sulla superficie. Tali interazioni superficiali possono definire condizioni al contorno per molecole su superfici di particelle, consentendo agli scienziati di determinare in definitiva i difetti e le interazioni indotte durante gli studi fondamentali sui colloidi LC. Per particelle di forma anisotropa, gli assemblaggi colloidali e le fasi che dipendono fortemente da queste condizioni al contorno variavano da orientamenti planari a inclinati e perpendicolari. Per determinare gli orientamenti della superficie nel campo del direttore di LC, gli scienziati generalmente usano la parte anisotropa dell'energia libera superficiale, nota come "energia di ancoraggio". Per un dato LC, i ricercatori possono controllare l'energia di ancoraggio utilizzando modifiche chimiche o topografiche, tecniche di sfregamento meccanico o fotoallineamento. Il controllo limitato sull'ancoraggio superficiale può ostacolare l'uso di LC nell'assemblaggio colloidale e nelle applicazioni tecniche.
Nel presente lavoro, Mundoor et al. hanno riportato l'influenza degli ioni sulle proprietà di ancoraggio superficiale e definito il comportamento dei colloidi anisotropi dispersi in un cristallo liquido nematico. Gli scienziati hanno controllato il contenuto ionico nella LC per dimostrare una variazione sistematica delle condizioni al contorno. Hanno quindi mostrato come gli orientamenti di equilibrio delle particelle colloidali cariche si sono alterati rispetto alla direzione del campo lontano e hanno dimostrato il conseguente autoassemblaggio di array colloidali con diverse simmetrie cristallografiche.
Misura dell'angolo di inclinazione. (A) Texture di una cellula LC nematica con substrati ricoperti di piastrine, con ancoraggio superficiale conico causato da carica superficiale; il riquadro mostra n(r) intorno a disclinazioni semiintere collegate da un difetto della parete superficiale, indicativo di condizioni al contorno coniche. (B) Schema corrispondente dell'allineamento LC con il regista inclinato rispetto alla superficie normale s. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4257
Il team di ricerca ha sintetizzato β-NaYF . a forma di piastrine 4 :Yb/Er microcristalli utilizzando un metodo idrotermale modificato. Hanno ottimizzato la sintesi chimica per produrre piastrine circolari con un diametro medio di 2 µm e uno spessore di 20 nm, che hanno confermato utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM). Quando gli scienziati hanno eccitato le piastrine usando un laser a infrarossi da 980 nm, le particelle hanno mostrato una conversione verso l'alto della luminescenza. Gli scienziati hanno quindi trattato chimicamente le particelle per la carica superficiale, rivestito con silice spessa 5 nm e funzionalizzato con metossi silano polietilenglicole.
Il team ha disperso le particelle ricoperte di silice in un cristallo liquido 4-ciano-4'-pentilbifenile (5 CB) mescolandolo con una dispersione colloidale diluita in etanolo, seguita da evaporazione del solvente a 70 0 C per 2 ore. Hanno poi raffreddato le particelle alla fase nematica sotto rapida agitazione meccanica. Mundoor et al. hanno infiltrato le conseguenti dispersioni colloidali in celle di vetro di 30 µm di spessore e le hanno sigillate con una colla epossidica a presa rapida. Hanno promosso le condizioni al contorno planari rivestendo le superfici interne delle celle di vetro con alcol polivinilico, seguito dallo studio della dispersione e dell'allineamento delle particelle all'interno del LC mediante microscopia ottica. Hanno studiato le micrografie ottiche polarizzanti per rivelare le configurazioni delle particelle con orientamenti diversi, nonché la risposta delle piastrine ai campi elettrici e magnetici in LC e in mezzi isotropi.
Caratterizzazione della diffusione traslazionale e rotazionale delle piastrine. Diffusione traslazionale (da A a D) e rotazionale (da E a G) delle piastrine in una LC nematica. (A a C) Dt di una piastrina con (A) perpendicolare, (B) planare, e (C) condizioni al contorno coniche in una cella planare con n0 nel piano; le linee tratteggiate nere e rosse in (C) mostrano una normale alla piastrina e una direzione degli spostamenti massimi, rispettivamente. Il campo magnetico B ≈ 480 G in (B) e (C) mantiene le piastrine di orientamento parallele al campo visivo. (D) Dt di una piastrina con ancoraggio superficiale planare in una cella omeotropica; i grafici rosso e blu mostrano Dt rispetto ai fotogrammi delle coordinate di cella e particella, rispettivamente. Le micrografie inserite in (A) a (D) mostrano le piastrine effettive in fase di diffusione. (E) Fluttuazioni orientative di una piastrina inclinata in (C) rispetto al suo orientamento preferito θe rispetto al tempo t ottenuto a τ =67 ms. (F) Istogrammi degli spostamenti angolari Δθ e Δβ ottenuti a τ =67 ms, rispettivamente, nelle cellule planari e omeotropiche. Le linee blu e verdi continue sono fit gaussiani. (G) Spostamento quadratico medio angolare 〈Δθ2〉 rispetto al tempo di ritardo τ in una cella planare. Una linea rossa continua è un fit dei dati sperimentali (cerchi neri pieni) con 〈Δθ2(τ)〉. (H) Istogramma degli orientamenti delle piastrine ottenuto a =67 ms durante ~ 10 min. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4257
I ricercatori hanno quindi formato una cella sperimentale utilizzando due substrati di vetro con densi strati di piastrine rivestite di spin sulle loro superfici interne. Utilizzando la configurazione sperimentale, hanno misurato il ritardo di fase ottica di queste cellule per rivelare un'inclinazione di 49 gradi rispetto ai substrati, che il team potrebbe ulteriormente controllare tramite doping ionico all'interno del sistema. I ricercatori hanno controllato elettrostaticamente le condizioni al contorno sulle superfici delle celle confinanti rivestendole con piastrine o utilizzando materiali di substrato con carica superficiale regolabile.
Effetto del contenuto ionico del mezzo LC. (A) Diagramma schematico dell'allineamento LC (un ellissoide) in superficie (blu); ep, eef, ed elc mostrano gli assi facili determinati dalle interazioni con il rivestimento polimerico, interazioni elettrostatiche, e l'allineamento LC derivante dalla loro concorrenza, rispettivamente. è un potenziale elettrico variabile lungo lo spessore del doppio strato, e r è una distanza dalla superficie delle piastrine. Una freccia rossa mostra la direzione dell'EDL. Le cariche positive e negative sono indicate da cerchi pieni verdi e gialli, rispettivamente. Gli inserti sul lato destro mostrano schematicamente la densità di una carica positiva (sfere verdi) sulla superficie delle piastrine in 5CB come acquistato e drogato. (B a D) Distribuzioni dell'orientamento per le piastrine in una cellula planare quando disperse in 5CB puro (B) e 5CB drogato con sale per concentrazioni di NaCl di 1 nmol/ml (C) e 0,1 nmol/ml (D). Gli inserti in (B) e (C) sono micrografie ottiche delle piastrine all'orientamento, inclinato e parallelo a n0 nei rispettivi supporti LC. (E) Variazione di nel tempo per una piastrina in 5CB puro a causa dell'assorbimento di ioni dall'atmosfera. (F) Distribuzioni degli orientamenti delle piastrine che mostrano incrementi discreti nell'angolo θ. La linea rossa è un fit gaussiano della parte centrale di una distribuzione mostrata in (E) corrispondente al passaggio completato durante il cambio di orientamento. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4257
La diffusione delle particelle nel sistema dipendeva dall'interazione tra le proprietà viscoelastiche anisotrope di LC e l'anisotropia di forma delle particelle orientate. Ad esempio, le piastrine con condizioni al contorno perpendicolari o planari hanno distorto il direttore del LC per formare quadrupoli elastici incorporati in uno sfondo uniforme. Il team di ricerca ha utilizzato il monitoraggio al microscopio video della posizione delle piastrine per determinare i coefficienti di diffusione. I ricercatori hanno osservato una maggiore anisotropia di diffusione per le particelle con ancoraggio perpendicolare, dove l'anisotropia di forma ha influenzato la diffusione delle particelle.
Il drogaggio con aggiunte ioniche come NaCl ha causato l'assorbimento di controioni (che mantengono la neutralità elettrica) sulle superfici delle particelle, che ha effettivamente ridotto la carica superficiale e l'intensità del campo elettrico (E DL ). Al doping, le piastrine si sono anche riorientate gradualmente nel tempo dal loro allineamento originale a causa delle mutevoli cariche superficiali. Ad esempio, le piastrine gradualmente rimodellate da orientamenti discreti per diverse centinaia di secondi, prima di passare all'orientamento successivo. Il meccanismo dettagliato dell'adsorbimento di controioni durante il processo resta da comprendere e da spiegare ulteriormente tramite ulteriori studi.
Reticolo colloidale autoassemblato formato da piastrine. (A) Immagine confocale di luminescenza Upconversion e (B) schematico di un reticolo colloidale autoassemblato di piastrine cariche con ancoraggio perpendicolare in una cella planare. I parametri misurati (definiti sugli schemi) del reticolo rombico:a =b ≈ 3 μm, ≈ 100°. (C e D) Schemi di assiemi 2D in una LC nematica per piastrine con condizioni al contorno inclinate (C) e planari (D). I riquadri in (C) e (D) mostrano i frammenti sperimentali degli assemblaggi corrispondenti, dove e ≈ 34°, a 2,1 μm, b 3,7 μm, e ≈ 56° in (C) e θe ≈ 0°, a =b 2,5 μm, e 68° in (D). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4257
Mundoor et al. osservato che le piastrine formavano assemblaggi cristallini ad alte concentrazioni a causa di interazioni elastiche e anelastiche in competizione. I risultati hanno mostrato il potenziale per progettare cristalli colloidali con cristallografia sintonizzabili mediante drogaggio ionico, dove l'aggiunta di sale alterava l'autoassemblaggio. Le piastrine ad alta carica (+300e) hanno mostrato un ancoraggio omeotropico e hanno formato un reticolo rombico. Quando la carica è scesa a +100e, hanno adottato l'ancoraggio ionico e l'inclinazione per assemblare in un reticolo obliquo con parametri diversi. Quando le piastrine con la carica +20e più bassa e l'ancoraggio planare si allineavano perpendicolarmente ai substrati cellulari, formavano un reticolo rombico. Mundoor et al. potrebbe riconfigurare magneticamente ed elettricamente i reticoli bidimensionali (2-D) all'interno dei piani cristallografici paralleli ai substrati cellulari per produrre diversi cristalli 3-D. Tali cristalli 3-D possono essere ulteriormente allineati sintonizzando gli orientamenti delle piastrine e variando elettrostaticamente lo spazio tra i piani cristallografici in lavori futuri.
In questo modo, Haridas Mundoor e collaboratori hanno controllato l'energia libera di ancoraggio e le condizioni al contorno sulle particelle colloidali e sulle superfici di confinamento dei cristalli liquidi (LC) regolando le cariche superficiali e modificando la concentrazione di drogante ionico. Il lavoro ha permesso loro di controllare l'allineamento LC rispetto alle superfici di confinamento e controllare l'orientamento di particelle colloidali anisotrope come piastrine, rispetto allo sfondo uniforme del campo lontano. I ricercatori mirano a condurre ulteriori studi su come i difetti topologici sulle superfici delle particelle e nella massa LC, potrebbe mediare l'assorbimento dei controioni. Indagheranno anche come i doppi strati elettrostatici disomogenei potrebbero essere generati dalla natura anisotropa delle LC in lavori futuri.
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