p Abordagens versáteis para projetar interações assimétricas de van der Waals podem expandir a paleta de desenvolvimento de materiais por meio de processos de engenharia de baixo para cima. Em um novo estudo, H.A. Fuster e uma equipe de pesquisa em engenharia química e biológica, e matemática na Universidade de Wisconsin-Madison, Wisconsin, e Cornell University New York, NÓS., demonstraram a polimerização de cristais líquidos (LC) para programar as interações de van der Waals. Eles realizaram os experimentos usando um processo de adsorção de coloide de sonda cineticamente controlado e conduziram cálculos complementares para indicar que a ordenação LC poderia programar as interações de van der Waals através das superfícies das micropartículas. Eles projetaram as diversas configurações de LC por confinamento para fornecer novas idéias a fim de programar as interações de van der Waals, para reunir matéria mole. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência . p A montagem de partículas em aglomerados e redes é a base da formação de diferentes formas de matéria mole, incluindo espumas, emulsões, e revestimentos de película fina. Embora a maioria dos estudos no passado tenha se concentrado em materiais formados por meio de interações entre partículas, estudos recentes avançaram para projetar materiais macios por meio de uma montagem ascendente de partículas que codificam as interações interpartículas anisotrópicas. As interações de Van der Waals são onipresentes em todos os sistemas particulados e representam outra abordagem promissora para programar a montagem de matéria mole. Neste relatório, Fuster et al exploraram uma abordagem para controlar a simetria das interações de van der Waals em sistemas particulados com base na síntese de micropartículas poliméricas de cristais líquidos (LCs). Eles descreveram como as micropartículas poliméricas esféricas e de composição homogênea têm padrões bem definidos de ordem orientacional para codificar as interações de van der Waals com simetrias complexas.

p Manipulação de cristais líquidos (LCs) confinados em domínios de microescala.

p A equipe polimerizou microgotículas LC (cristal líquido) preparadas como emulsões de óleo em água para demonstrar como a ordem de orientação interna poderia ajustar a variação espacial das interações de van der Waals nas superfícies das micropartículas. Eles investigaram essas interações com um colóide de poliestireno (PS) de tamanho mícron. As interações de Van der Waals coletivamente incluem dipolo-dipolo (Keesom), dipolo induzido por dipolo (Keesom), dipolo induzida por dipolo (Debye) e interações dipolo induzidas por dipolo instantâneas (London). As interações podem ser calculadas usando a teoria de Lifshitz por meio de componentes de baixa e alta frequência da função de resposta dielétrica em relação aos materiais constituintes. Fuster et al usaram LCs para sintetizar micropartículas com a ordem de orientação interna desejada e usaram essa configuração interna para programar padrões espaciais complexos, mas previsíveis, de interações de van der Waals. Os resultados e cálculos mostraram como LCs forneceram a base para uma abordagem versátil para programar as interações de van der Waals, semelhante aos processos convencionais de montagem de baixo para cima na ciência dos materiais.

p Estudos anteriores relataram uma variedade notavelmente diversa de organização de LCs em microgotículas, que incluem LCs quirais e aquirais formados a partir de fases orgânicas e aquosas. A equipe primeiro examinou LCs aquirais formados por meio de várias misturas químicas diferentes neste trabalho, onde os compostos tinham funções de resposta dielétrica anisotrópica. A equipe então dispersou a mistura de LC em glicerol e formou gotículas de LC de tamanho mícron com uma configuração bipolar. As micropartículas poliméricas preservaram a configuração bipolar das gotículas LC a partir das quais foram formadas após fotopolimerização, conforme confirmado com micrografias de campo claro e luz polarizada. Os cientistas então mapearam a variação espacial das interações de van der Waals em superfícies de micropartículas bipolares polimerizadas por adsorção reversível de coloides de sonda de poliestireno (1 µm de diâmetro) em tais superfícies de micropartículas.

p Investigando as interações de van der Waals entre os coloides da sonda e as micropartículas.

p Eles interpretaram as observações experimentais relativas às interações de van der Waals entre os coloides da sonda e as micropartículas LC. Por exemplo, a equipe quantificou a distribuição de coloides de sonda adsorvidos em superfícies de micropartículas bipolares na presença de água salgada, onde o número aumentou com o tempo em um processo de agregação controlado cineticamente. Para experimentos de controle, eles repetiram os métodos usando micropartículas LC (cristal líquido) polimerizadas na configuração radial. Com base nos resultados, Fuster et al levantaram a hipótese de que a padronização de coloides de sonda em micropartículas bipolares surgiu das interações de van der Waals codificadas por meio de ordenação orientacional de moléculas dentro das micropartículas bipolares. Eles apoiaram a hipótese com cálculos para indicar que as orientações de LCs dentro das micropartículas poderiam ser usadas para codificar variações suficientemente grandes nas interações de van der Waals, permitindo a montagem direta de baixo para cima de sistemas de matéria mole.

p A equipe então investigou as previsões teóricas da ordenação interna das micropartículas LC bipolares e calculou suas energias de interação atrativas. Eles observaram que as interações de van der Waals entre os coloides da sonda e as micropartículas bipolares são mais fortes na região equatorial, e consistente com observações experimentais. A mudança na resposta dielétrica experimentada por uma sonda colóide perto de uma micropartícula bipolar agiu como uma forte energia de ancoragem e as interações de van der Waals foram particularmente sensíveis a tais energias de ancoragem de superfície.

p Fuster et al. em seguida, estudou a energia de interação líquida entre um colóide de sonda e as micropartículas bipolares polimerizadas como a soma das interações de van der Waals atrativas e de dupla camada repulsiva. Para suporte adicional em sua hipótese de que as interações de van der Waals podem ser codificadas por configurações internas de micropartículas LC, a equipe preparou micropartículas LC com simetria dipolar. Eles observaram as medições do potencial zeta dessas micropartículas para produzir valores semelhantes aos das micropartículas LC bipolares polimerizadas. Com base nos resultados experimentais, Fuster et al. confirmaram que a manipulação da ordenação LC dentro das micropartículas forneceu uma abordagem versátil para padronizar as interações de van der Waals nas superfícies das micropartículas.

p Desta maneira, H.A. Fuster e colegas caracterizaram as interações anisotrópicas de van der Waals programadas em micropartículas controlando a ordenação LC interna e quantificando a adsorção de colóide cineticamente controlada através da superfície das micropartículas LC. Os experimentos e cálculos de apoio mostraram que a variação espacial das interações de van der Waals através das superfícies das micropartículas LC é tão grande quanto 20 K _B T. Esta magnitude é grande o suficiente para projetar a montagem ascendente de materiais macios. Os cientistas interpretaram as observações experimentais relativas às interações de van der Waals entre micropartículas LC (cristal líquido) e coloides de sonda. Os resultados estabeleceram a base para uma abordagem geral e simples para programar as interações de van der Waals em sistemas de matéria mole coloidal, já que os cientistas podiam variar a ordem dos LCs e manipulá-los em uma variedade de geometrias experimentais. Os princípios deste estudo serão aplicáveis ​​a uma série de fenômenos de matéria mole, incluindo superfícies de adesão e umedecimento, incluindo a formação de conjuntos coloidais, como vidros, cristais, e géis. p © 2020 Science X Network