Em artigos anteriores, Os físicos da Universidade da Pensilvânia investigaram o "efeito do anel do café, "a mancha em forma de anel de partículas deixadas depois que as gotas de café evaporam. Em um artigo, eles aprenderam como desfazer esse efeito alterando a forma das partículas. Agora, em um novo artigo publicado em Nature Communications , eles descobriram o comportamento complexo e notavelmente diferente que surge em uma gota de cristal líquido que está secando.

A pesquisa, realizado em colaboração com cientistas da Lehigh University e Swarthmore College, revela novas características de comportamento de cristais líquidos, fluidos com fases alinhadas de moléculas constituintes. A formação de diferentes fases durante a secagem leva a movimentos de fluido drasticamente diferentes e deposição de sólidos e também fornece informações necessárias para o controle de soluções de secagem de macromoléculas que ocorrem em muitos corantes e formulações farmacêuticas.

Zoey Davidson, ex-aluno da Penn, agora um pós-doutorado no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes na Alemanha, vinha experimentando com Sunset Yellow, um corante que dá a Doritos e refrigerantes de laranja suas cores vivas, quando ele acidentalmente derramou parte do material.

"Percebi que o padrão de derramamento deixado pela queda era semelhante aos padrões de café que estudamos antes, mas também havia diferenças, "Davidson disse." As gotas de secagem tinham uma estrutura interna macroscopicamente visível, também."

Davidson, junto com Arjun Yodh, diretor do Laboratório de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria e James M. Skinner Professor de Ciências do Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências da Penn, e Peter Collings de Swarthmore, um professor adjunto na Penn, então decidiu investigar isso de uma forma mais controlada. Penn Professor Randall Kamien, o ex-aluno de graduação Adam Gross e os pós-docs Angel Martinez e Tim Still também contribuíram para o estudo. O grupo colaborou com Chao Zhou de Lehigh e seu Ph.D. estudante Yongyang Huang.

Ao contrário das partículas em uma gota de café, a gota de cristal líquido que eles estudaram era uma solução de moléculas de amarelo-sol que se combinam espontaneamente para formar conjuntos macromoleculares semelhantes a bastonetes, semelhante a como as moléculas semelhantes a bastonetes se ordenam para formar os cristais líquidos usados ​​em LCDs.

"Cristais líquidos são uma fase da matéria, "Collings disse, "assim como o sólido mais conhecido, fases líquidas e gasosas. Eles são fluidos, o que significa que eles tomam a forma de seu recipiente, mas, ao contrário dos líquidos, existe alguma ordem entre os constituintes que constituem a substância. Então, embora os constituintes se difundam muito parecido com o que acontece nos líquidos, eles mantêm alguma ordem de orientação e, às vezes, de posição. "

Enquanto os cristais líquidos usados ​​em LCDs, chamados cristais líquidos termotrópicos, são feitos de moléculas sem nada mais adicionado, os cristais líquidos usados ​​neste experimento eram cristais líquidos cromônicos. Os cristais líquidos cromônicos consistem em conjuntos de moléculas dispersas em água líquida.

Durante a secagem, a concentração de amarelo-sol variou dentro da queda, e imagens de microscópio revelaram a formação de diferentes fases de fluido, como o líquido isotrópico (aleatório), fases nemáticas de cristal líquido (alinhadas) e colunares de cristal líquido (embaladas de forma cilíndrica) que segregam em diferentes regiões da gota.

"Quando você olha para a queda ao longo do tempo, "Yodh disse, “não é uniforme; tem muita estrutura”.

A região central da queda era isotrópica, e foi circundado pela fase nemática alinhada. O limite entre as duas fases moveu-se em direção ao centro conforme a gota secou, e então outras regiões com estruturas diferentes apareceram, como as fases colunar e cristalina.

“É um salto qualitativo sair de uma queda que é uma fase que fica cada vez mais concentrada, "Yodh disse, "a uma gota que pode se transformar em várias fases diferentes dependendo da concentração. As diferentes fases segregam e afetam a viscosidade e a convecção em diferentes regiões da gota."

Eles notaram uma dinâmica incomum no processo de secagem, mas acharam difícil discernir esses processos com microscopias simples. Assim, eles juntaram forças com Zhou e Huang para empregar microscopia de coerência óptica para rastrear o fluxo dentro das gotículas. O novo microscópio revelou padrões de fluxo circulares, ou correntes de Marangoni, circulando em uma direção oposta àquela vista em outras soluções. Essa anomalia de circulação era devido às propriedades incomuns de tensão superficial do amarelo-sol.

Como a evaporação acontece mais rápido em uma borda externa em uma gota de café que está secando, o material sólido dentro da gota é transportado do centro da gota para a borda externa, trazendo mais e mais grãos de café com ele.

"Esses grãos de café se acumulam na borda, "Collings disse, "e depois que a gota secou completamente, resultados de um anel escuro de partículas de café. "

No fim, a deposição da gota de cristal líquido de secagem não era semelhante a um anel ou uniforme.

"Em muitos casos, "Collings disse, "a existência de fases de cristal líquido aumenta a viscosidade e diminui a velocidade de movimentação do material, então a forma final parece um vulcão ou suflê afundado. "

Embora tenha havido outras investigações nas quais múltiplas fases surgem nas gotas de secagem e evaporação, especialmente perto da borda de queda, esta é a primeira vez que os pesquisadores investigaram várias fases de cristal líquido e entenderam como os efeitos viscoelásticos e outras propriedades dos cristais líquidos afetam o padrão de deposição de secagem final.

"Estamos empurrando uma fronteira, "disse Yodh, "Sabemos que muitos sistemas podem realmente ter essas propriedades, e essa pesquisa é importante se você quiser entender o que eles farão. "

Muitas tecnologias dependem da deposição de material de forma precisa por meio da evaporação de um solvente. Uma vez que as fases semelhantes a cristal líquido são comuns entre corantes e produtos farmacêuticos, esta pesquisa pode ter aplicações potenciais no futuro.

"Basta pensar na impressão a jato de tinta, "Collings disse, "para realizar um exemplo extremamente comum e útil. Se tais processos envolvem substâncias que formam fases de cristal líquido, como muitos corantes e drogas fazem, então, a compreensão obtida por meio de nossos experimentos será importante para alcançar quaisquer resultados desejados. "

Mas muito da importância deste trabalho reside no domínio da ciência básica.

"Nosso novo entendimento de como as gotículas de outra classe de materiais secam, "Collings disse, "substancia alguns conceitos desenvolvidos antes, mas também estende nosso conhecimento a domínios onde o comportamento é diferente."

Os pesquisadores esperam dar seguimento a algumas das observações interessantes que fizeram sobre as estruturas que se formam à medida que o material seca.

"Os padrões de material que se formam, "Yodh disse, "são influenciados tanto pela termodinâmica de equilíbrio tradicional quanto pela convecção de fluidos e novas estruturas com novas topologias bloqueadas se formam como resultado."

Ser capaz de controlar esse fenômeno seria uma próxima etapa emocionante.

"Essa é a coisa engraçada de assistir a tinta secar, "Davidson disse." Há realmente todas essas coisas legais acontecendo dentro da queda. "