Caracterização do tamanho e orientação das plaquetas em LC nemático. Micrografias SEM de plaquetas antes (A) e depois (B) do revestimento de SiO2. (C) Micrografia TEM de partículas. A inserção mostra a camada de SiO2, visível na borda da plaqueta como uma fina faixa cinza. (D) Esquema das plaquetas mostrando um núcleo, Revestimento de SiO2, e camada de Si-PEG. (E a H) Micrografias ópticas de plaquetas com cônica (E), planar (F e G), e ancoragem de superfície perpendicular (H) sob polarizador cruzado P e analisador A sem (esquerda) e com (direita) uma placa de retardamento γ em uma célula nemática. (I a L) Diagramas esquemáticos de n (r) (linhas verdes) em torno das plaquetas com cônica (I e J), planar (K), e ancoragem perpendicular (L). Inserido em (J) é um esquema das condições de contorno degeneradas cônicas. (M a P) Sequência experimental de micrografias ópticas, com o tempo decorrido marcado, mostrando a reorientação de plaquetas com ancoragem planar quando um campo magnético B ≈ 480 G é aplicado normal aos planos de imagem. As inserções mostram esquemas de n (r) em torno de uma plaqueta 1 em s⊥n0 || B em (M) e s⊥n0⊥B em (P). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
Os cristais líquidos diferem dos fluidos isotrópicos (fluidos com propriedades semelhantes em diferentes direções) para exibir interações altamente anisotrópicas (propriedades variáveis em diferentes direções) com as superfícies. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Haridas Mundoor e uma equipe de pesquisa interdisciplinar nos departamentos de física e pesquisa de materiais moles, elétrico, engenharia de computação e energia nos EUA, controlou o alinhamento da superfície das moléculas nemáticas (fortes dispersores de luz devido às flutuações térmicas dentro dos cristais líquidos). Ao controlar o conteúdo iônico, os cientistas ajustaram as orientações da forma anisotrópica, partículas semelhantes às plaquetas. O anisotrópico resultante, as interações elásticas e eletrostáticas facilitaram os cristais coloidais com simetrias e orientações reconfiguráveis. Eles aproveitaram os efeitos de alinhamento concorrentes da funcionalização da superfície e do campo elétrico que surgiu devido ao carregamento de superfície experimental e contra-íons de massa dentro da configuração.
Os cristais líquidos (LCs) encontraram aplicações de monitores de luz a sensores biomédicos, devido às suas interações superficiais anisotrópicas. Essas interações de superfície podem definir as condições de contorno para as moléculas nas superfícies das partículas, permitindo que os cientistas determinem os defeitos e as interações induzidas durante os estudos fundamentais dos coloides LC. Para partículas anisotrópicas de forma, conjuntos coloidais e fases que dependem fortemente dessas condições de contorno variaram de orientações planas a inclinadas e perpendiculares. Para determinar as orientações da superfície no campo diretor do LC, os cientistas geralmente usam a parte anisotrópica da energia livre de superfície, conhecido como "energia de ancoragem". Para um determinado LC, os pesquisadores podem controlar a energia de ancoragem usando modificações químicas ou topográficas, técnicas de fricção mecânica ou fotoalinhamento. O controle limitado na ancoragem de superfície pode dificultar o uso de LCs na montagem coloidal e em aplicações técnicas.
No presente trabalho, Mundoor et al. relataram a influência dos íons nas propriedades de ancoragem à superfície e definiram o comportamento de coloides anisotrópicos dispersos em um cristal líquido nemático. Os cientistas controlaram o conteúdo iônico no LC para demonstrar uma variação sistemática das condições de contorno. Eles então mostraram como as orientações de equilíbrio de partículas coloidais carregadas alteradas em relação à direção do campo distante e demonstraram a automontagem subsequente de arranjos coloidais com diversas simetrias cristalográficas.
Medição do ângulo de inclinação. (A) Textura de uma célula LC nemática com substratos cobertos por plaquetas, com ancoragem de superfície cônica causada por carregamento de superfície; a inserção mostra n (r) em torno de divulgações de meio inteiro conectadas por um defeito de parede de superfície, indicativo de condições de contorno cônicas. (B) Esquemático correspondente de alinhamento LC com diretor inclinado para a superfície normal s. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
A equipe de pesquisa sintetizou β-NaYF em forma de plaquetas 4 :Microcristais Yb / Er usando um método hidrotérmico modificado. Eles otimizaram a síntese química para produzir plaquetas circulares com um diâmetro médio de 2 µm e uma espessura de 20 nm, que eles confirmaram usando microscopia eletrônica de varredura (MEV). Quando os cientistas excitaram as plaquetas usando um laser infravermelho de 980 nm, as partículas mostraram conversão ascendente de luminescência. Os cientistas então trataram quimicamente as partículas para carregamento de superfície, revestido com sílica de 5 nm de espessura e funcionalizado com polietilenoglicol metoxissilano.
A equipe dispersou as partículas revestidas de sílica em cristal líquido de 4-ciano-4'-pentilbifenil (5 CB), misturando-o com uma dispersão coloidal diluída em etanol, seguido por evaporação do solvente a 70 0 C por 2 horas. Eles então resfriaram as partículas para a fase nemática sob rápida agitação mecânica. Mundoor et al. infiltrou as dispersões coloidais resultantes em células de vidro de 30 µm de espessura e as selou com uma cola epóxi de secagem rápida. Eles promoveram as condições de contorno planar revestindo as superfícies internas das células de vidro com álcool polivinílico, seguido pelo estudo da dispersão e alinhamento das partículas dentro do LC usando microscopia óptica. Eles estudaram as micrografias ópticas de polarização para revelar as configurações das partículas em diferentes orientações, bem como a resposta das plaquetas a campos elétricos e magnéticos em LC e meios isotrópicos.
Caracterização da difusão translacional e rotacional de plaquetas. Difusão translacional (A a D) e rotacional (E a G) de plaquetas em um LC nemático. (A a C) Dt de uma plaqueta com (A) perpendicular, (B) planar, e (C) condições de contorno cônicas em uma célula plana com n0 no plano; linhas tracejadas pretas e vermelhas em (C) mostram uma normal para a plaqueta e uma direção de deslocamentos máximos, respectivamente. O campo magnético B ≈ 480 G em (B) e (C) mantém a orientação das plaquetas paralelas ao campo de visão. (D) Dt de uma plaqueta com ancoragem de superfície plana em uma célula homeotrópica; os gráficos em vermelho e azul mostram Dt em relação aos quadros de coordenadas da célula e da partícula, respectivamente. Micrografias inseridas em (A) a (D) mostram as plaquetas reais em difusão. (E) Flutuações orientacionais δθ de uma plaqueta inclinada em (C) em relação à sua orientação preferencial θe versus o tempo t obtido em τ =67 ms. (F) Histogramas de deslocamentos angulares Δθ e Δβ obtidos em τ =67 ms, respectivamente, em células planares e homeotrópicas. As linhas sólidas em azul e verde são ajustes gaussianos. (G) Deslocamento quadrático médio angular 〈Δθ2〉 versus tempo de latência τ em uma célula planar. Uma linha vermelha sólida é um ajuste de dados experimentais (círculos preenchidos em preto) com 〈Δθ2 (τ)〉. (H) Histograma das orientações das plaquetas obtido em τ =67 ms durante ~ 10 min. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
Os pesquisadores então formaram uma célula experimental usando dois substratos de vidro com camadas densas de plaquetas revestidas de spin em suas superfícies internas. Usando a configuração experimental, eles mediram o retardo de fase óptica dessas células para revelar uma inclinação de 49 graus em relação aos substratos, que a equipe poderia controlar posteriormente por meio de dopagem iônica dentro do sistema. Os pesquisadores controlaram eletrostaticamente as condições de contorno nas superfícies das células confinantes, revestindo-as com plaquetas ou usando materiais de substrato com carga de superfície ajustável.
Efeito do conteúdo iônico do meio LC. (A) Diagrama esquemático do alinhamento LC (um elipsóide) na superfície (azul); ep, eef, e elc mostram os eixos fáceis determinados por interações com o capeamento de polímero, interações eletrostáticas, e o alinhamento LC resultante de sua competição, respectivamente. Φ é um potencial elétrico que varia ao longo da espessura da camada dupla, e r é a distância da superfície das plaquetas. Uma seta vermelha mostra a direção de EDL. Cargas positivas e negativas são mostradas por círculos verdes e amarelos, respectivamente. As inserções do lado direito mostram esquematicamente a densidade de uma carga positiva (esferas verdes) na superfície das plaquetas em 5CB conforme adquirido e dopado. (B a D) Distribuições de orientação para plaquetas em uma célula planar quando dispersas em 5CB puro (B) e 5CB dopado com sal para concentrações de NaCl de 1 nmol / ml (C) e 0,1 nmol / ml (D). Inserções em (B) e (C) são micrografias ópticas de plaquetas na orientação, inclinado e paralelo a n0 na respectiva mídia LC. (E) Mudança de θ com o tempo para uma plaqueta em 5CB puro devido à absorção de íons da atmosfera. (F) Distribuições de orientações de plaquetas mostrando incrementos discretos no ângulo θ. A linha vermelha é um ajuste gaussiano da parte central de uma distribuição mostrada em (E) correspondendo à etapa concluída durante a mudança da orientação. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
A difusão das partículas no sistema dependia da interação das propriedades viscoelásticas anisotrópicas do LC e da anisotropia de forma das partículas orientadas. Por exemplo, as plaquetas com condições de contorno perpendiculares ou planas distorceram o diretor do LC para formar quadrupolos elásticos embutidos em um fundo uniforme. A equipe de pesquisa usou o rastreamento de microscopia de vídeo da posição das plaquetas para determinar os coeficientes de difusão. Os pesquisadores observaram uma anisotropia de difusão mais forte para partículas com ancoragem perpendicular, onde a anisotropia de forma influenciou a difusão das partículas.
A dopagem com adições iônicas, como NaCl, fez com que os contra-íons (que mantêm a neutralidade elétrica) se adsorvessem nas superfícies das partículas, o que efetivamente reduziu a carga superficial e a força do campo elétrico (E DL ) Após o doping, as plaquetas também foram reorientadas passo a passo com o tempo a partir de seu alinhamento original devido às mudanças nas cargas superficiais. Por exemplo, as plaquetas foram gradualmente remodeladas a partir de orientações discretas por várias centenas de segundos, antes de pular para a próxima orientação. O mecanismo detalhado de adsorção de contra-íons durante o processo ainda precisa ser compreendido e explicado com mais detalhes por meio de estudos adicionais.
Rede coloidal auto-montada formada por plaquetas. (A) Imagem confocal de luminescência de conversão ascendente e (B) esquemático de uma rede coloidal auto-montada de plaquetas carregadas com ancoragem perpendicular em uma célula planar. Os parâmetros medidos (definidos em esquemas) da rede rômbica:a =b ≈ 3 μm, ϕ ≈ 100 °. (C e D) Esquemas de montagens 2D em um LC nemático para plaquetas com condições de contorno inclinadas (C) e planas (D). Inserções em (C) e (D) mostram os fragmentos experimentais de montagens correspondentes, onde θe ≈ 34 °, a ≈ 2,1 μm, b ≈ 3,7 μm, e ϕ ≈ 56 ° em (C) e θe ≈ 0 °, a =b ≈ 2,5 μm, e ϕ ≈ 68 ° em (D). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
Mundoor et al. observaram que as plaquetas formaram montagens cristalinas em altas concentrações devido a interações elásticas e inelásticas concorrentes. Os resultados mostraram potencial para projetar cristais coloidais com cristalografia sintonizável por dopagem iônica, onde a adição de sal alterou a automontagem. Plaquetas com alta carga (+ 300e) apresentaram ancoragem homeotrópica e formaram uma rede rômbica. Quando a carga diminuiu para + 100e, eles adotaram ancoragem iônica e inclinação para montar em uma rede oblíqua com parâmetros diferentes. Quando as plaquetas com a carga + 20e mais baixa e ancoragem planar alinhadas perpendicularmente aos substratos celulares, elas formaram uma rede rômbica. Mundoor et al. poderia reconfigurar magneticamente e eletricamente as redes bidimensionais (2-D) dentro dos planos cristalográficos paralelos aos substratos celulares para produzir diversos cristais 3-D. Esses cristais 3-D podem ser ainda mais alinhados ajustando as orientações das plaquetas e variando eletrostaticamente o espaço entre os planos cristalográficos em trabalhos futuros.
Desta maneira, Haridas Mundoor e colaboradores controlaram a energia livre de ancoragem e as condições de contorno nas partículas coloidais e nas superfícies confinantes dos cristais líquidos (LCs) ajustando as cargas superficiais e alterando a concentração de dopante iônico. O trabalho permitiu que eles controlassem o alinhamento LC em relação às superfícies confinantes e controlassem a orientação de partículas coloidais anisotrópicas, como plaquetas, no que diz respeito ao fundo uniforme do campo distante. Os pesquisadores pretendem realizar mais estudos sobre como os defeitos topológicos nas superfícies das partículas e no volume LC, poderia mediar a absorção de contra-íons. Eles também irão investigar como camadas duplas eletrostáticas não homogêneas podem ser geradas a partir da natureza anisotrópica de LCs em trabalhos futuros.
© 2019 Science X Network
