Nei documenti precedenti, I fisici dell'Università della Pennsylvania hanno studiato "l'effetto anello di caffè, " la macchia a forma di anello di particelle lasciata dopo che le gocce di caffè evaporano. In una carta, hanno imparato come annullare questo effetto alterando la forma delle particelle. Ora, in un nuovo articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , hanno scoperto il comportamento complesso e notevolmente diverso che si manifesta in una goccia di cristallo liquido che si sta asciugando.

La ricerca, realizzato in collaborazione con scienziati della Lehigh University e dello Swarthmore College, rivela nuove caratteristiche di comportamento dei cristalli liquidi, fluidi con fasi allineate delle molecole costituenti. La formazione di diverse fasi durante l'essiccazione porta a un movimento del fluido ea una deposizione di solidi notevolmente diversi e fornisce anche le informazioni necessarie per il controllo delle soluzioni di essiccazione delle macromolecole che si verificano in molti coloranti e formulazioni farmaceutiche.

L'alunna di Penn Zoey Davidson, ora postdoc presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems in Germania, stava sperimentando con Sunset Yellow, un colorante che dona a Doritos e bibite all'arancia i loro colori vivaci, quando ha accidentalmente rovesciato parte del materiale.

"Ho notato che il modello di fuoriuscita lasciato dalla goccia era in qualche modo simile ai modelli di caffè che avevamo studiato prima, ma c'erano anche differenze, " Davidson ha detto. "Le gocce di essiccazione avevano una struttura interna visibile macroscopicamente, pure."

Davidson, insieme ad Arjun Yodh, direttore del Laboratorio di Ricerca sulla Struttura della Materia e James M. Skinner Professor of Science nel Dipartimento di Fisica e Astronomia della School of Arts &Sciences di Penn, e Peter Collings di Swarthmore, un professore a contratto alla Penn, poi ha deciso di indagare su questo in modo più controllato. Penn Professor Randall Kamien, Anche l'alunno universitario Adam Gross e i postdoc Angel Martinez e Tim Still hanno contribuito allo studio. Il gruppo ha collaborato con Chao Zhou di Lehigh e il suo dottorato di ricerca. studente Yongyang Huang.

A differenza delle particelle in una goccia di caffè, la goccia di cristalli liquidi che hanno studiato era una soluzione di molecole giallo tramonto che si combinano spontaneamente per formare complessi macromolecolari simili a bastoncini, simile a come le molecole a forma di bastoncino si ordinano per formare i cristalli liquidi utilizzati negli LCD.

"I cristalli liquidi sono una fase della materia, "Collings ha detto, "proprio come il più noto solido, fase liquida e gassosa. sono fluidi, il che significa che prendono la forma del loro contenitore, ma a differenza dei liquidi c'è un certo ordine tra i costituenti che compongono la sostanza. Così, sebbene i costituenti si diffondano in modo molto simile a ciò che accade nei liquidi, mantengono un certo ordine orientativo e talvolta posizionale."

Mentre i cristalli liquidi utilizzati negli LCD, detti cristalli liquidi termotropici, sono fatti di molecole senza nient'altro aggiunto, i cristalli liquidi utilizzati in questo esperimento erano cristalli liquidi cromonici. I cristalli liquidi cromonici sono costituiti da insiemi di molecole disperse in acqua liquida.

Durante l'asciugatura, la concentrazione di Giallo Tramonto variava all'interno della goccia, e le immagini al microscopio hanno rivelato la formazione di diverse fasi fluide come il liquido isotropo (casuale), cristalli liquidi nematici (allineati) e cristalli liquidi colonnari (impaccati cilindricamente) che segregano in diverse regioni della goccia.

"Quando guardi il calo nel tempo, "Yod ha detto, "non è uniforme; ha molta struttura."

La regione centrale della goccia era isotropa, ed era circondato dalla fase nematica allineata. Il confine tra le due fasi si è spostato verso il centro mentre la goccia si asciugava, e poi apparvero altre regioni con strutture diverse, come le fasi colonnare e cristallina.

"È un salto qualitativo per passare da una caduta che è una fase che diventa solo più concentrata, "Yod ha detto, "ad una goccia che può trasformarsi in diverse fasi a seconda della concentrazione. Le diverse fasi si segregano e influenzano la viscosità e la convezione in diverse regioni della goccia."

Hanno notato dinamiche insolite nel processo di essiccazione, ma hanno trovato difficile discernere questi processi con semplici microscopi. Così hanno unito le forze con Zhou e Huang per impiegare la microscopia a coerenza ottica per tracciare il flusso all'interno delle goccioline. Il nuovo microscopio ha rivelato schemi di flusso circolari, o correnti Marangoni, circolando in senso opposto a quello visto in altre soluzioni. Questa anomalia di circolazione era dovuta alle insolite proprietà di tensione superficiale di Sunset Yellow.

Poiché l'evaporazione avviene più velocemente su un bordo esterno in una goccia di caffè che si asciuga, il materiale solido all'interno della goccia viene trasportato dal centro della goccia al bordo esterno, portando sempre più chicchi di caffè con sé.

"Questi chicchi di caffè si accumulano sul bordo, "Collings ha detto, "e dopo che la goccia si è completamente asciugata un bel ne risulta un anello scuro di particelle di caffè."

Alla fine, la deposizione dalla goccia di cristallo liquido essiccante non era anulare o uniforme.

"In molti casi, "Collings ha detto, "l'esistenza di fasi a cristalli liquidi aumenta la viscosità e riduce la velocità con cui il materiale si muove, quindi la forma finale sembra un vulcano o un soufflé sommerso."

Sebbene ci siano state altre indagini in cui si verificano più fasi nell'essiccazione e nell'evaporazione delle gocce, soprattutto vicino al bordo di discesa, questa è la prima volta che i ricercatori hanno studiato più fasi di cristalli liquidi e capito come gli effetti viscoelastici e altre proprietà dei cristalli liquidi influenzano il modello di deposizione finale di essiccazione.

"Stiamo spingendo una frontiera, " ha detto Yod, "Sappiamo che molti sistemi possono effettivamente avere queste proprietà, e questa ricerca è importante se vuoi capire cosa faranno".

Molte tecnologie dipendono dal deposito di materiale in modo preciso attraverso l'evaporazione di un solvente. Poiché le fasi simili a cristalli liquidi sono comuni tra i coloranti e i prodotti farmaceutici, questa ricerca potrebbe avere potenziali applicazioni su tutta la linea.

"Basta pensare alla stampa ink-jet, "Collings ha detto, "per realizzare un esempio estremamente comune e utile. Se tali processi coinvolgono sostanze che formano fasi di cristalli liquidi, come fanno molti coloranti e droghe, quindi la comprensione acquisita attraverso i nostri esperimenti sarà importante per ottenere qualsiasi risultato si desideri".

Ma gran parte dell'importanza di questo lavoro risiede nel regno della scienza di base.

"La nostra nuova comprensione di come si asciugano le goccioline di un'altra classe di materiali, "Collings ha detto, "sostanzia alcuni concetti sviluppati in precedenza, ma estende anche la nostra conoscenza in ambiti in cui il comportamento è diverso".

I ricercatori sperano di dare seguito ad alcune delle interessanti osservazioni che hanno fatto sulle strutture che si formano quando il materiale si asciuga.

"I modelli di materiale che si formano, "Yod ha detto, "sono influenzati sia dalla termodinamica di equilibrio tradizionale che dalla convezione dei fluidi e come risultato si formano nuove strutture con nuove topologie bloccate".

Essere in grado di controllare questo fenomeno sarebbe un entusiasmante passo successivo.

"Questa è la cosa divertente di guardare la vernice secca, " Ha detto Davidson. "In realtà ci sono tutte queste cose interessanti che accadono all'interno della goccia".