En trabajos anteriores, Los físicos de la Universidad de Pensilvania investigaron el "efecto de anillo de café, "la mancha en forma de anillo de partículas que quedan después de que se evaporan las gotas de café. En un documento, aprendieron cómo deshacer este efecto alterando la forma de las partículas. Ahora, en un nuevo artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , han descubierto el comportamiento complejo y notablemente diferente que surge en una gota de cristal líquido que se está secando.

La investigación, llevado a cabo en colaboración con científicos de Lehigh University y Swarthmore College, revela nuevas características de comportamiento de los cristales líquidos, fluidos con fases alineadas de moléculas constituyentes. La formación de diferentes fases durante el secado conduce a un movimiento de fluidos y deposición de sólidos drásticamente diferentes y también proporciona la información necesaria para el control de las soluciones de secado de macromoléculas que se encuentran en muchos tintes y formulaciones farmacéuticas.

Zoey Davidson, ex alumno de Penn, ahora un postdoctorado en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Alemania, había estado experimentando con Sunset Yellow, un tinte que le da a Doritos y refrescos de naranja sus colores brillantes, cuando accidentalmente derramó parte del material.

"Noté que el patrón de derrame dejado por la gota era similar a los patrones de café que habíamos estudiado antes, pero también hubo diferencias, ", Dijo Davidson." Las gotas de secado tenían una estructura interior macroscópicamente visible, también."

Davidson, junto con Arjun Yodh, director del Laboratorio de Investigación sobre la Estructura de la Materia y Profesor de Ciencias James M. Skinner en el Departamento de Física y Astronomía de la Escuela de Artes y Ciencias de Penn, y Peter Collings de Swarthmore, profesor adjunto en Penn, luego decidió investigar esto de una manera más controlada. Profesor de Penn Randall Kamien, El alumno de pregrado Adam Gross y los postdoctorados Angel Martinez y Tim Still también contribuyeron al estudio. El grupo colaboró ​​con Chao Zhou de Lehigh y su Ph.D. estudiante Yongyang Huang.

A diferencia de las partículas en una gota de café, la gota de cristal líquido que estudiaron era una solución de moléculas Sunset Yellow que se combinan espontáneamente para formar conjuntos macromoleculares en forma de varillas, similar a cómo las moléculas en forma de varilla se ordenan para formar los cristales líquidos utilizados en las pantallas LCD.

"Los cristales líquidos son una fase de la materia, "Collings dijo, "al igual que el sólido más conocido, fases líquida y gaseosa. Son fluidos, lo que significa que toman la forma de su contenedor, pero, a diferencia de los líquidos, existe cierto orden entre los componentes que componen la sustancia. Entonces, aunque los componentes se difunden de manera muy similar a lo que sucede en los líquidos, mantienen cierto orden de orientación y, a veces, posicional ".

Mientras que los cristales líquidos utilizados en las pantallas LCD, llamados cristales líquidos termotrópicos, están hechos de moléculas sin nada más añadido, los cristales líquidos utilizados en este experimento fueron cristales líquidos cromónicos. Los cristales líquidos cromónicos consisten en conjuntos de moléculas dispersas en agua líquida.

Durante el secado, la concentración de Sunset Yellow varió dentro de la gota, e imágenes de microscopio revelaron la formación de diferentes fases fluidas como el líquido isotrópico (aleatorio), Fases de cristal líquido nemáticas (alineadas) y de cristal líquido (empaquetadas cilíndricamente) que se segregan en diferentes regiones de la gota.

"Cuando miras la gota a lo largo del tiempo, "Yodh dijo, "no es uniforme, tiene mucha estructura".

La región central de la gota era isotrópica, y estaba rodeado por la fase nemática alineada. El límite entre las dos fases se movió hacia el centro cuando la gota se secó, y luego aparecieron otras regiones con diferentes estructuras, como las fases columnar y cristalina.

"Es un salto cualitativo pasar de una caída que es una fase que simplemente se concentra más, "Yodh dijo, "a una gota que puede cambiar a varias fases diferentes dependiendo de la concentración. Las diferentes fases segregan y afectan la viscosidad y la convección en diferentes regiones de la gota".

Notaron una dinámica inusual en el proceso de secado, pero les resultó difícil discernir estos procesos con microscopios simples. Por lo tanto, unieron fuerzas con Zhou y Huang para emplear microscopía de coherencia óptica para rastrear el flujo dentro de las gotas. El nuevo microscopio reveló patrones de flujo circular, o corrientes de Marangoni, circulando en sentido contrario al visto en otras soluciones. Esta anomalía de la circulación se debió a las inusuales propiedades de tensión superficial del Sunset Yellow.

Debido a que la evaporación ocurre más rápidamente en un borde exterior en una gota de café que se seca, el material sólido dentro de la gota se transporta desde el centro de la gota hasta el borde exterior, trayendo consigo cada vez más granos de café.

"Estos granos de café se acumulan en el borde, "Collings dijo, "y una vez que la gota se haya secado por completo, resulta un anillo oscuro de partículas de café ".

En el final, la deposición de la gota de cristal líquido que se seca no tenía forma de anillo ni era uniforme.

"En muchos casos, "Collings dijo, "la existencia de fases de cristal líquido aumenta la viscosidad y reduce la velocidad a la que se mueve el material, por lo que la forma final parece un volcán o un soufflé hundido ".

Aunque ha habido otras investigaciones en las que surgen múltiples fases en el secado y evaporación de las gotas, especialmente cerca del borde de caída, esta es la primera vez que los investigadores han investigado múltiples fases de cristal líquido y han entendido cómo los efectos viscoelásticos y otras propiedades de los cristales líquidos afectan el patrón de deposición de secado final.

"Estamos empujando una frontera, "dijo Yodh, "Sabemos que muchos sistemas pueden tener estas propiedades, y esta investigación es importante si desea comprender lo que van a hacer ".

Muchas tecnologías dependen de depositar material de forma precisa mediante la evaporación de un disolvente. Dado que las fases similares a los cristales líquidos son comunes entre los tintes y los productos farmacéuticos, esta investigación podría tener aplicaciones potenciales en el futuro.

"Basta pensar en la impresión por chorro de tinta, "Collings dijo, "para darse cuenta de un ejemplo extremadamente común y útil. Si tales procesos involucran sustancias que forman fases de cristal líquido, como hacen muchos tintes y drogas, entonces la comprensión obtenida a través de nuestros experimentos será importante para lograr los resultados deseados ".

Pero gran parte de la importancia de este trabajo reside en el ámbito de la ciencia básica.

"Nuestra nueva comprensión de cómo se secan las gotas de otra clase de materiales, "Collings dijo, "fundamenta algunos conceptos desarrollados antes, pero también amplía nuestro conocimiento a ámbitos en los que el comportamiento es diferente".

Los investigadores esperan dar seguimiento a algunas de las interesantes observaciones que hicieron sobre las estructuras que se forman a medida que se seca el material.

"Los patrones de material que se forman, "Yodh dijo, "están influenciados tanto por la termodinámica de equilibrio tradicional como por la convección de fluidos y, como resultado, se forman nuevas estructuras con nuevas topologías bloqueadas".

Ser capaz de controlar este fenómeno sería un próximo paso emocionante.

"Eso es lo curioso de ver cómo se seca la pintura, "Dijo Davidson." En realidad, están sucediendo todas estas cosas interesantes dentro de la caída ".