L'organizzazione chimica nei sistemi di reazione-diffusione offre una strategia per generare materiali con morfologie e architettura ordinate. Strutture periodiche possono essere formate utilizzando molecole o nanoparticelle. Una frontiera emergente nella scienza dei materiali mira a combinare nanoparticelle e molecole. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Amanda J. Ackroyd e un team di scienziati in chimica, fisica e nanomateriali in Canada, L'Ungheria e gli Stati Uniti hanno notato come l'evaporazione del solvente da una sospensione di nanocristalli di cellulosa (CNC) e acido L-(+)-tartarico [abbreviato L-(+)-TA] abbia causato la separazione di fase della precipitazione per provocare l'alterazione ritmica del CNC -ricco, Anelli L-(+)-TA. Le regioni ricche di CNC hanno mantenuto una struttura colesterica, mentre le bande ricche di L-(+)-TA si sono formate tramite fasci allungati radialmente per ampliare la conoscenza dei sistemi di reazione-diffusione auto-organizzati e offrire una strategia per progettare materiali auto-organizzanti.

Organizzazione chimica

Il processo di auto-organizzazione e autoassemblaggio avviene universalmente nei sistemi di non equilibrio della materia vivente, ambienti geochimici, scienza dei materiali e nell'industria. Gli esperimenti esistenti che portano a strutture periodiche possono essere divisi in due gruppi, inclusi i classici esperimenti di tipo Liesegang e l'organizzazione chimica tramite precipitazioni periodiche per generare materiali con morfologie ordinate e gerarchia strutturale. In questo lavoro, Ackroyd et al. sviluppato una strategia per l'evaporazione del solvente per separare in fase una soluzione acquosa di acido tartarico/nanocristalli di cellulosa [L-(+)-TA/CNC o TA/CNC] per la sua successiva precipitazione per provocare un'alternanza ritmica di CNC-ricco o CNC- regioni ad anello impoverite. Il team ha sviluppato un modello cinetico che concordava quantitativamente con i risultati sperimentali. Il lavoro amplia la gamma di sistemi di reazione-diffusione auto-organizzati per aprire la strada a materiali funzionali periodicamente strutturati.

esperimenti

Ackroyd et al. hanno depositato le sospensioni miste sotto forma di goccioline su vetrini e le hanno immediatamente poste in una camera umida. Utilizzando un microscopio ottico polarizzatore (POM), hanno formato immagini dei film essiccanti con diverse composizioni di TA/CNC (acido tartarico/nanocristalli di cellulosa). I film formati dall'essiccamento della soluzione di acido tartarico hanno mantenuto una morfologia sferulite con una struttura aghiforme. Utilizzando immagini di essiccazione TA/CNC, il team ha notato la formazione di anelli che iniziano da un punto di nucleazione vicino al centro della pellicola da cui si formano periodicamente e crescono radialmente verso il bordo della pellicola. Hanno quindi caratterizzato i modelli di anelli nei film, dove l'umidità relativa crescente, aumentato il valore del loro periodo. Per comprendere le dinamiche di crescita della formazione degli anelli periodici, Ackroyd et al. registrato l'evoluzione dei modelli spazio-temporali di evaporazione dell'acqua per i film liquidi. Hanno etichettato i CNC con un colorante isotiocianato di fluoresceina attaccato in modo covalente, caratterizzare la composizione degli anelli alternati nel film composito. Sulla base delle immagini POM (microscopio ottico polarizzatore), hanno notato le bande periodiche arricchite e prive di CNC nel film composito.

Caratterizzazione del film composito.

Per caratterizzare ulteriormente i film compositi, gli scienziati hanno acquisito spettri sotto trasmissione differenziale di luce polarizzata circolarmente di mano opposta. Utilizzando la microscopia elettronica a scansione, hanno ottenuto immagini della sezione trasversale del film delle regioni ricche di CNC e TA. Per comprendere la topografia della superficie del film composito, hanno usato la microscopia a forza atomica. Utilizzando immagini POM ad alto ingrandimento, Ackroyd et al. noted the TA-rich regions in yellow and light orange, while the CNC-rich regions appeared red and green in color. The team also conducted polarimetry imaging to map the variation in the polarization state of transmitted light. Per realizzare questo, they illuminated a film with a 532 nm linearly polarized light with a light polarization state set parallel to the vertical edge of the images. Based on both POM and polarimetry experiments, Ackroyd et al revealed the orientation order in TA-rich ring-banded regions relative to the chemical composition of the film. The structural features formed by CNCs and TA provided an interesting example of complex, out-of-equilibrium organization, of interest for future studies. To probe the TA/CNC films in the transmission mode, the scientists also used small-angle X-ray scattering, where an X-ray beam size of 220 x 50 µm allowed an entire film to be scanned for mapping with the technique.

Numerical model

The scientists then developed a kinetic model for the phase-separating TA/CNC suspension as applied generally to reaction-diffusion systems. They represented the dynamics of the periodic pattern formation with two types of building blocks using a set of differential equations. The numerical model factored six species of the drying TA/CNC suspension including the (1) dissolved TA, (2) the nuclei of precipitated TA, (3) the crystals of TA in the TA-rich phase and the (4) the suspended individual CNCs, (5) the TA-CNC clusters, and 6) the CNC-enriched phase. The numerical model qualitatively reproduced the experimental findings, and the model predicted a finite constant velocity of the moving front of the edge pattern.

Veduta

In questo modo, Amanda J. Ackroyd and colleagues provided first evidence of a periodic ring-banded structure formed by two components with dimensions differing by several orders of magnitude. The results differed from ring patterns obtained by other phenomena including "coffee ring" patterns. The scientists noted the evaporation of water from the TA/CNC suspension to result in the saturation of CNCs and TA in the mixture. They controlled the morphology of the composite films by varying the composition of the TA/CNC suspension and relative humidity. Based on simulations, the team noted that the periodic ring patterns did not qualitatively change with increasing viscosity and therefore reduced the diffusion coefficients of the compounds. They highlighted distinct band structures for the CNC-enriched and TA-enriched ring-banded regions throughout the study. The work will expand the knowledge of self-organizing reaction-diffusion systems and provide strategies to design self-organizing materials.

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