p A organização química em sistemas de reação-difusão oferece uma estratégia para gerar materiais com morfologia e arquitetura ordenadas. Estruturas periódicas podem ser formadas usando moléculas ou nanopartículas. Uma fronteira emergente na ciência dos materiais visa combinar nanopartículas e moléculas. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Amanda J. Ackroyd e uma equipe de cientistas em química, física e nanomateriais no Canadá, A Hungria e os EUA observaram como a evaporação do solvente de uma suspensão de nanocristais de celulose (CNCs) e L - (+) - ácido tartárico [abreviado L - (+) - TA] causou a separação de fases da precipitação resultando na alteração rítmica do CNC -rico, L - (+) - anéis TA. As regiões ricas em CNC mantiveram uma estrutura colestérica, enquanto as bandas ricas em L - (+) - TA formadas por feixes radialmente alongados para expandir o conhecimento de sistemas de reação-difusão auto-organizáveis ​​e oferecer uma estratégia para projetar materiais auto-organizáveis. p Organização química

p O processo de auto-organização e auto-montagem ocorre universalmente em sistemas de matéria viva fora de equilíbrio, ambientes geoquímicos, ciência dos materiais e na indústria. Os experimentos existentes que levam a estruturas periódicas podem ser divididos em dois grupos, incluindo os experimentos clássicos do tipo Liesegang e a organização química por meio de precipitação periódica para gerar materiais com morfologias ordenadas e hierarquia estrutural. Nesse trabalho, Ackroyd et al. desenvolveu uma estratégia de evaporação de solvente para separar por fase uma solução aquosa de ácido tartárico / nanocristais de celulose [L - (+) - TA / CNC ou TA / CNC] para sua precipitação subsequente para resultar em uma alternância rítmica de ricos em CNC ou CNC- regiões esgotadas do tipo anel. A equipe desenvolveu um modelo cinético que concordou quantitativamente com os resultados experimentais. O trabalho expande a gama de sistemas de reação-difusão auto-organizáveis ​​para preparar o caminho para materiais funcionais estruturados periodicamente.

p Experimentos

p Ackroyd et al. depositou suspensões mistas como gotículas em lâminas de vidro e imediatamente as colocou em câmara úmida. Usando um microscópio óptico de polarização (POM), eles formaram imagens dos filmes de secagem com composições variadas de TA / CNC (ácido tartárico / nanocristais de celulose). Os filmes formados pela secagem da solução de ácido tartárico mantiveram a morfologia de esferulita com estrutura em agulha. Usando imagens de secagem TA / CNC, a equipe notou a formação de anéis começando em um ponto de nucleação próximo ao centro do filme, a partir do qual se formaram e cresceram radialmente em direção à borda do filme. Eles então caracterizaram os padrões de anéis nos filmes, onde o aumento da umidade relativa, aumentou o valor de seu período. Para entender a dinâmica de crescimento da formação de anéis periódicos, Ackroyd et al. registrou a evolução dos padrões espaço-temporais de evaporação de água para os filmes líquidos. Eles marcaram CNCs com um corante de isotiocianato de fluoresceína covalentemente ligado (FITC), para caracterizar a composição de anéis alternados no filme composto. Com base nas imagens do POM (microscópio óptico de polarização), eles notaram as bandas periódicas enriquecidas com CNC e privadas de CNC no filme composto.

p Caracterizando o Filme Composto.

p Para caracterizar ainda mais os filmes compostos, os cientistas adquiriram espectros sob transmissão diferencial de luz circularmente polarizada de lateralidade oposta. Usando microscopia eletrônica de varredura, eles obtiveram imagens da seção transversal do filme das regiões ricas em CNC e TA. Para entender a topografia da superfície do filme composto, eles usaram microscopia de força atômica. Usando imagens POM de alta ampliação, Ackroyd et al. observou as regiões ricas em TA em amarelo e laranja claro, enquanto as regiões ricas em CNC apareceram nas cores vermelha e verde. A equipe também realizou imagens de polarimetria para mapear a variação no estado de polarização da luz transmitida. Para conseguir isso, eles iluminaram um filme com uma luz polarizada linearmente de 532 nm com um estado de polarização de luz paralelamente à borda vertical das imagens. 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.

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p Numerical model

p 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.

p Panorama

p Desta maneira, 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. p © 2021 Science X Network