Caracterización del tamaño y la orientación de las plaquetas en LC nemática. Micrografías SEM de plaquetas antes (A) y después (B) del recubrimiento de SiO2. (C) Micrografía TEM de partículas. El recuadro muestra la capa de SiO2, visible en el borde de las plaquetas como una delgada franja gris. (D) Esquema de las plaquetas que muestra un núcleo, Recubrimiento de SiO2, y capa de Si-PEG. (E a H) Micrografías ópticas de plaquetas con cónica (E), planar (F y G), y anclaje superficial perpendicular (H) bajo el polarizador cruzado P y el analizador A sin (izquierda) y con (derecha) una placa de retardo γ en una celda nemática. (I a L) Diagramas esquemáticos de n (r) (líneas verdes) alrededor de plaquetas con cónica (I y J), planar (K), y anclaje perpendicular (L). El recuadro en (J) es un esquema de las condiciones de contorno degeneradas cónicas. (M a P) Secuencia experimental de micrografías ópticas, con el tiempo transcurrido marcado, mostrando la reorientación de las plaquetas con anclaje plano cuando se aplica un campo magnético B ≈ 480 G normal a los planos de la imagen. Los recuadros muestran esquemas de n (r) alrededor de una plaqueta 1 en s⊥n0 || B en (M) y s⊥n0⊥B en (P). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
Los cristales líquidos se diferencian de los fluidos isotrópicos (fluidos con propiedades similares en diferentes direcciones) para exhibir interacciones altamente anisotrópicas (propiedades variables en diferentes direcciones) con las superficies. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Haridas Mundoor y un equipo de investigación interdisciplinario en los departamentos de física e investigación de materiales blandos, eléctrico, Ingeniería informática y energética en EE. UU., controló la alineación de la superficie de las moléculas nemáticas (fuertes dispersores de luz debido a las fluctuaciones térmicas dentro de los cristales líquidos). Controlando el contenido iónico, los científicos ajustaron las orientaciones de la forma anisotrópica, partículas parecidas a plaquetas. El anisotrópico resultante, Las interacciones elásticas y electrostáticas facilitaron los cristales coloidales con simetrías y orientaciones reconfigurables. Aprovecharon los efectos de alineación en competencia de la funcionalización de la superficie y el campo eléctrico que surgió debido a la carga superficial experimental y los contraiones a granel dentro de la configuración.
Los cristales líquidos (LC) han encontrado aplicaciones desde pantallas de luz hasta sensores biomédicos, debido a sus interacciones superficiales anisotrópicas. Tales interacciones superficiales pueden definir condiciones de contorno para moléculas en superficies de partículas, permitiendo a los científicos determinar en última instancia los defectos y las interacciones inducidas durante los estudios fundamentales de los coloides LC. Para partículas de forma anisotrópica, Los conjuntos coloidales y las fases que dependen en gran medida de estas condiciones de contorno varían desde orientaciones planas a inclinadas y perpendiculares. Para determinar las orientaciones de la superficie en el campo director del LC, Los científicos generalmente usan la parte anisotrópica de la energía libre de superficie, conocida como la "energía de anclaje". Para un LC dado, los investigadores pueden controlar la energía de anclaje mediante modificaciones químicas o topográficas, técnicas mecánicas de frotamiento o fotoalineación. El control limitado sobre el anclaje superficial puede dificultar el uso de LC en aplicaciones técnicas y de montaje coloidal.
En el presente trabajo, Mundoor y col. reportaron la influencia de los iones en las propiedades de anclaje superficial y definieron el comportamiento de coloides anisotrópicos dispersos en un cristal líquido nemático. Los científicos controlaron el contenido iónico en el LC para demostrar una variación sistemática de las condiciones de contorno. Luego mostraron cómo las orientaciones de equilibrio de las partículas coloidales cargadas se alteraron en relación con la dirección del campo lejano y demostraron el consiguiente autoensamblaje de matrices coloidales con diversas simetrías cristalográficas.
Medida del ángulo de inclinación. (A) Textura de una célula LC nemática con sustratos cubiertos de plaquetas, con anclaje superficial cónico causado por carga superficial; el recuadro muestra n (r) alrededor de declinaciones de medio entero conectadas por un defecto de la pared de la superficie, indicativo de condiciones de contorno cónico. (B) Esquema correspondiente de alineación LC con director inclinado a la superficie normal s. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
El equipo de investigación sintetizó β-NaYF en forma de plaquetas 4 :Microcristales de Yb / Er utilizando un método hidrotermal modificado. Optimizaron la síntesis química para producir plaquetas circulares con un diámetro promedio de 2 µm y un grosor de 20 nm. que confirmaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Cuando los científicos excitaron las plaquetas usando un láser infrarrojo de 980 nm, las partículas mostraron conversión ascendente de luminiscencia. Luego, los científicos trataron químicamente las partículas para cargarlas en la superficie, recubierto con sílice de 5 nm de espesor y funcionalizado con metoxisilano polietilenglicol.
El equipo dispersó las partículas cubiertas de sílice en cristal líquido de 4-ciano-4'-pentilbifenilo (5 CB) mezclándolo con una dispersión coloidal diluida en etanol, seguido de la evaporación del solvente a 70 0 C durante 2 horas. Luego enfriaron las partículas hasta la fase nemática con una rápida agitación mecánica. Mundoor y col. infiltró las consiguientes dispersiones coloidales en celdas de vidrio de 30 µm de espesor y las selló con un pegamento epoxi de fraguado rápido. Promovieron las condiciones de contorno planas recubriendo las superficies internas de las celdas de vidrio con alcohol polivinílico, seguido de estudiar la dispersión y alineación de partículas dentro de la LC utilizando microscopía óptica. Estudiaron las micrografías ópticas de polarización para revelar las configuraciones de las partículas en diferentes orientaciones, así como la respuesta de las plaquetas a los campos eléctricos y magnéticos en LC y medios isotrópicos.
Caracterización de la difusión traslacional y rotacional de plaquetas. Difusión traslacional (A a D) y rotacional (E a G) de plaquetas en una CL nemática. (A a C) Dt de una plaqueta con (A) perpendicular, (B) plano, y (C) condiciones de contorno cónico en una celda plana con en el plano n0; Las líneas punteadas negras y rojas en (C) muestran una normal a la plaqueta y una dirección de los desplazamientos máximos, respectivamente. El campo magnético B ≈ 480 G en (B) y (C) mantiene las plaquetas de orientación paralelas al campo de visión. (D) Dt de una plaqueta con anclaje de superficie plana en una célula homeotrópica; los gráficos rojos y azules muestran Dt con respecto a los marcos de coordenadas de la celda y la partícula, respectivamente. Las micrografías insertadas en (A) a (D) muestran las plaquetas reales en difusión. (E) Fluctuaciones de orientación δθ de una plaqueta inclinada en (C) con respecto a su orientación preferida θe frente al tiempo t obtenido en τ =67 ms. (F) Histogramas de los desplazamientos angulares Δθ y Δβ obtenidos en τ =67 ms, respectivamente, en células planas y homeotrópicas. Las líneas sólidas azul y verde son ajustes gaussianos. (G) Desplazamiento cuadrático medio angular 〈Δθ2〉 versus tiempo de retardo τ en una celda plana. Una línea roja continua es un ajuste de datos experimentales (círculos negros rellenos) con 〈Δθ2 (τ)〉. (H) Histograma de las orientaciones de las plaquetas obtenidas a τ =67 ms durante ~ 10 min. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
Luego, los investigadores formaron una celda experimental utilizando dos sustratos de vidrio con densas capas de plaquetas recubiertas por rotación en sus superficies internas. Usando la configuración experimental, midieron el retardo de fase óptica de estas células para revelar una inclinación de 49 grados en relación con los sustratos, que el equipo podría seguir controlando mediante el dopaje iónico dentro del sistema. Los investigadores controlaron electrostáticamente las condiciones de contorno en las superficies de las celdas confinadas recubriéndolas con plaquetas o utilizando materiales de sustrato con carga superficial sintonizable.
Efecto del contenido iónico del medio LC. (A) Diagrama esquemático de la alineación LC (un elipsoide) en la superficie (azul); ep, eef, y elc muestran los ejes fáciles determinados por las interacciones con el recubrimiento de polímero, interacciones electrostáticas, y la alineación LC resultante de su competencia, respectivamente. Φ es un potencial eléctrico que varía sobre el espesor de la doble capa, y r es una distancia de la superficie de las plaquetas. Una flecha roja muestra la dirección de EDL. Las cargas positivas y negativas se muestran mediante círculos rellenos de verde y amarillo, respectivamente. Las inserciones del lado derecho muestran esquemáticamente la densidad de una carga positiva (esferas verdes) en la superficie de las plaquetas en 5CB tal como se compró y dopado. (B a D) Distribuciones de orientación para plaquetas en una célula plana cuando se dispersan en 5CB puro (B) y 5CB dopado con sal para concentraciones de NaCl de 1 nmol / ml (C) y 0,1 nmol / ml (D). Los recuadros en (B) y (C) son micrografías ópticas de plaquetas en la orientación, inclinado y paralelo a n0 en el medio LC respectivo. (E) Cambio de θ con el tiempo para una plaqueta en 5CB puro debido a la absorción de iones de la atmósfera. (F) Distribuciones de las orientaciones de las plaquetas que muestran incrementos discretos en el ángulo θ. La línea roja es un ajuste gaussiano de la parte central de una distribución que se muestra en (E) correspondiente al paso completado durante el cambio de orientación. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
La difusión de partículas en el sistema dependía de la interacción de las propiedades viscoelásticas anisotrópicas de LC y la anisotropía de forma de las partículas orientadas. Por ejemplo, las plaquetas con condiciones de contorno perpendiculares o planas distorsionaron el director del LC para formar cuadrupolos elásticos incrustados en un fondo uniforme. El equipo de investigación utilizó el seguimiento por video microscopía de la posición de las plaquetas para determinar los coeficientes de difusión. Los investigadores observaron una anisotropía de difusión más fuerte para partículas con anclaje perpendicular, donde la anisotropía de la forma influyó en la difusión de partículas.
El dopaje con adiciones iónicas como NaCl provocó que los contraiones (que mantienen la neutralidad eléctrica) se adsorbieran en las superficies de las partículas, que redujo efectivamente la carga superficial y la fuerza del campo eléctrico (E DL ). Tras el dopaje, las plaquetas también se reorientaron paso a paso con el tiempo desde su alineación original debido a las cargas superficiales cambiantes. Por ejemplo, las plaquetas se remodelan gradualmente a partir de orientaciones discretas durante varios cientos de segundos, antes de saltar a la siguiente orientación. El mecanismo detallado de la adsorción de contraiones durante el proceso aún no se comprende y se explica con más detalle a través de estudios adicionales.
Rejilla coloidal autoensamblada formada por plaquetas. (A) Imagen confocal de luminiscencia de conversión ascendente y (B) esquema de una red coloidal autoensamblada de plaquetas cargadas con anclaje perpendicular en una celda plana. Los parámetros medidos (definidos en los esquemas) de la red rómbica:a =b ≈ 3 μm, ϕ ≈ 100 °. (C y D) Esquemas de ensamblajes 2D en un LC nemático para plaquetas con condiciones de contorno inclinadas (C) y planas (D). Los recuadros en (C) y (D) muestran los fragmentos experimentales de los ensamblajes correspondientes, donde θe ≈ 34 °, a ≈ 2,1 μm, b ≈ 3,7 μm, y ϕ ≈ 56 ° en (C) y θe ≈ 0 °, a =b ≈ 2,5 μm, y ϕ ≈ 68 ° en (D). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax4257
Mundoor y col. observaron que las plaquetas formaban conjuntos cristalinos a altas concentraciones debido a interacciones elásticas e inelásticas en competencia. Los resultados mostraron potencial para diseñar cristales coloidales con cristalografía sintonizable por dopaje iónico, donde la adición de sal alteró el autoensamblaje. Las plaquetas con carga alta (+ 300e) mostraron un anclaje homeotrópico y formaron una red rómbica. Cuando la carga disminuyó a + 100e, adoptaron el anclaje iónico y la inclinación para ensamblarse en una celosía oblicua con diferentes parámetros. Cuando las plaquetas con la carga más baja de + 20e y el anclaje plano se alinearon perpendicularmente a los sustratos celulares, formaron una red rómbica. Mundoor y col. podría reconfigurar magnética y eléctricamente las redes bidimensionales (2-D) dentro de los planos cristalográficos paralelos a los sustratos de las células para producir diversos cristales en 3D. Estos cristales tridimensionales se pueden alinear aún más ajustando las orientaciones de las plaquetas y variando electrostáticamente el espacio entre los planos cristalográficos en trabajos futuros.
De este modo, Haridas Mundoor y sus colaboradores controlaron la energía libre de anclaje y las condiciones de contorno en las partículas coloidales y las superficies de confinamiento de los cristales líquidos (LC) ajustando las cargas superficiales y cambiando la concentración de dopante iónico. El trabajo les permitió controlar la alineación de LC con respecto a las superficies de confinamiento y controlar la orientación de partículas coloidales anisotrópicas como las plaquetas, con respecto al fondo uniforme de campo lejano. Los investigadores tienen como objetivo realizar más estudios sobre cómo los defectos topológicos en las superficies de las partículas y en el volumen de LC, podría mediar en la absorción de contraiones. También investigarán cómo se podrían generar capas dobles electrostáticas no homogéneas a partir de la naturaleza anisotrópica de las LC en trabajos futuros.
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