Nucleación de dominios de fase de orientación en microflujos nemáticos impulsados por presión. (A) Ilustración esquemática de un canal con anclaje homeotrópico en las superficies superior e inferior utilizadas en el experimento; IR, infrarrojo; ITO, óxido de indio y estaño. (B) El nemático en un canal se ve negro entre polarizadores cruzados en ausencia de flujo y gana birrefringencia visible debido a la distorsión del director impulsada por el flujo que atrapa un dominio del estado alineado con el flujo (también llamado estado zahorí de aquí en adelante); n denota el director nemático. La luz fuertemente absorbida de las pinzas láser calienta el NLC, creando una isla isotrópica (Iso) que se apaga en la fase nemática (N) cuando se apaga el láser. La densa maraña de defectos se vuelve más gruesa en un solo bucle de defectos que atrapa un estado de zahorí alineado con el flujo, identificable como un área verde a baja velocidad. (C) La nucleación inducida por láser de los dominios zahorí se puede automatizar y su forma se puede controlar dinámicamente ajustando los parámetros de flujo. Las flechas dobles cruzadas indican la orientación de los polarizadores. Las flechas blancas vacías en las esquinas inferiores izquierdas indican la dirección y la velocidad cualitativa del flujo en todo el papel. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4283
El flujo oscilante y los pulsos de luz se pueden utilizar para crear una arquitectura reconfigurable en cristales líquidos. Los científicos de materiales pueden diseñar cuidadosamente flujos de microfluidos concertados y campos optotérmicos localizados para lograr el control de la nucleación. crecimiento y forma de tales dominios líquidos. En comparación, Los líquidos puros en equilibrio termodinámico son estructuralmente homogéneos. El trabajo experimental basado en la teoría y las simulaciones ha demostrado que si los líquidos se mantienen en un estado controlado de desequilibrio, las estructuras resultantes pueden estabilizarse indefinidamente.
Los líquidos esculpidos pueden encontrar aplicaciones en dispositivos de microfluidos para encapsular selectivamente solutos y partículas en compartimentos ópticamente activos para interactuar con estímulos externos para una variedad de aplicaciones médicas, aplicaciones sanitarias e industriales. En un estudio reciente publicado en Avances de la ciencia , Tadej Emeršič y sus colaboradores en Eslovenia y EE. UU. Desarrollaron cristales líquidos nemáticos puros (NLC), donde manipularon dinámicamente defectos y estados reconfigurables de los materiales mediante la aplicación simultánea de múltiples campos externos.
Los materiales sólidos pueden exhibir distintas fases estructurales simultáneamente, una propiedad que se puede manipular para diseñar la funcionalidad. Sin embargo, en líquidos puros en equilibrio, tales fases estructurales que corresponden a los límites de grano y defectos no surgen. Si bien los líquidos exhiben una serie de características atractivas, incluida la capacidad de mojar superficies, demostrar altos coeficientes de difusión y cumplimiento absoluto, Es un desafío incluir funcionalidades adicionales a los líquidos debido a su homogeneidad inherente. Se observa un comportamiento complejo en mezclas multicomponentes sintéticas y biológicas y las estructuras resultantes son difíciles de manipular ya que ocurren en situaciones de desequilibrio. Tales situaciones generalmente involucran múltiples componentes con una gran miscibilidad y también gradientes entre dominios hidrófilos e hidrófobos.
Expansión y contracción de dominios radiestesistas nucleados por láser en un microflujo nemático moderado. La vida útil del dominio es proporcional a la velocidad crítica y el tamaño inicial. Grabado bajo polarizadores cruzados a 30 fps, el tamaño del campo de visión es de 480 µm × 120 µm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4283
Los científicos han desarrollado materia activa en forma de colonias vivas y contrapartes sintéticas bioinspiradas. Imprimieron dominios hidrofóbicos / hidrofílicos en mezclas líquidas confiando en nanopartículas de surfactante y sistemas controlados de desequilibrio para demostrar el movimiento y la transición entre diferentes regímenes reológicos. Los cristales líquidos (CLs) son un sistema ideal para estudiar los fenómenos de interés, como la ruptura espontánea de la simetría, defectos topológicos, orden de orientación y transiciones de fase basadas en estímulos externos.
Los cristales líquidos nemáticos (NLC) son la forma más simple de moléculas de cristal líquido sin posiciones ordenadas, y se diferencian de los líquidos puros al nivel de la orientación molecular. Los NLC tienen una variedad de propiedades que les permiten servir como microrreactores y realizar reacciones de polimerización inherentes para interesantes aplicaciones futuras. El trabajo actual en el campo es todavía experimental, por ejemplo, flujos nemáticos en entornos microfluídicos, que destacan la posible interferencia entre defectos topológicos en diferentes campos de velocidad y orientación molecular.
En este trabajo, los científicos observaron la interfaz de fase con los NLC por primera vez, logrado experimentalmente mediante la generación de dominios de fase polar que fueron controlados mediante la combinación de confinamiento de microfluidos, caudales de fluidos y pulsos de láser en la práctica. Emeršič y col. utilizaron el material nemático monocomponente pentil-cianobifenilo (5CB) en todos los experimentos realizados en canales microfluídicos lineales con una sección transversal rectangular. Los científicos fabricaron los canales con polidimetilsiloxano (PDMS) en relieve y sustratos de vidrio recubiertos con óxido de indio y estaño (ITO) utilizando procedimientos estándar de litografía blanda. Luego llenaron los canales de microfluidos con 5CB en su fase isotrópica calentada y dejaron que se enfriara hasta la fase nemática, antes de comenzar los experimentos de flujo. Los científicos también trataron químicamente las paredes del microcanal para diseñar una superficie homeotrópica fuerte para anclar las moléculas de 5CB.
Dominios de zahorí en crecimiento y reducción en microflujos nemáticos simulados numéricamente. Simulación de un bucle defectuoso inducido por láser en un canal que experimenta expansión o contracción, sujeto a un flujo impulsado por presión fuerte o débil. Arriba:vista superior del canal que muestra el bucle defectuoso. Abajo:vista lateral que muestra la evolución de la estructura del zahorí. En el cálculo se adoptan constantes elásticas de 5CB. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4283
El trabajo representó un modelo experimental ideal de una fase material de orientación cuasi-bidimensional (2D). En el estado estacionario inicial dentro de un canal de microfluidos, el material calentado apareció negro. Cuando se encendió el flujo, dependiendo de la velocidad del flujo, la apariencia birrefringente cambió de negro a colores brillantes. Los dominios alineados con el flujo evolucionaron de esta manera para crecer o aniquilarse con la velocidad del flujo.
Los científicos de materiales llamaron al régimen de flujo el 'estado arqueado' debido al perfil arqueado del material y al estado alineado al flujo como el 'estado zahorí' debido a su analogía con el llamado campo zahorí en nematostática. donde nematostática es la densidad de carga de materiales nemáticos elásticos, análogo a la electrostática. El estado del zahorí tiene una orientación anisotrópica con su propio comportamiento elástico, defectos topológicos y solitones (un paquete de ondas solitario que mantiene su forma mientras se propaga a velocidad constante). En comparación, el estado de Bowser es efectivamente isótropo y simple en la vista 2D simplificada. Los científicos pudieron controlar la forma, división y coalescencia de estos dominios de fase.
Emeršič y col. realizó todos los experimentos a temperatura ambiente, impulsando y controlando el flujo de fluido en el microcanal con un sistema de control de flujo de microfluidos impulsado por presión. Estudiaron los regímenes de flujo, dinámica de reorientación y deformaciones impulsadas por el flujo de 5CB en los microcanales utilizando microscopía de luz polarizada. Los científicos construyeron pinzas láser alrededor del microscopio óptico invertido con un láser de fibra IR que funciona a 1064 nm como fuente de luz. y un par de deflectores acústico-ópticos accionados por un sistema computarizado para manipular con precisión el haz.
Producir un flujo constante de dominios radiestesistas cortando el estado del radiestesista a granel con un punto láser en movimiento. Al mover una isla isotrópica de fase nemática calentada por láser transversalmente a través del límite de fase entre el estado de zahorí y el de arco (negro), se puede producir un tren uniforme de dominios de zahorí. Grabado bajo polarizadores cruzados a 30 fps, el tamaño del campo de visión es de 480 µm × 120 µm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4283
En el estudio, el estado del zahorí alineado con el flujo era estable con flujos fuertes pero inestable con flujo débil. Dependiendo de la velocidad del flujo, los dominios zahorí podrían crecer y encogerse en los experimentos como se ve en las simulaciones numéricas. Los científicos calcularon los criterios para el crecimiento y la reducción de dominios en el tiempo e indicaron cómo crecieron los dominios, encogido o aniquilado a lo largo del canal.
Aplicando con cuidado las pinzas láser, los científicos demostraron que se podía producir un flujo constante de dominios diseccionando el radiestesista a granel original con un punto láser en movimiento, donde el láser fundió los lados del límite de fase del material. Un dominio en crecimiento a mayor velocidad de flujo podría dividirse longitudinalmente por la mitad, con un rayo láser estático a bajas intensidades de luz.
Las pinzas láser permitieron un control dinámico del tamaño, número y vida útil de los dominios radiestesistas generados, que fueron manipulados adicionalmente modulando la velocidad de flujo periódica. Por ejemplo, bajo flujo uniforme, el campo del zahorí alineado uniformemente a lo largo de la dirección del flujo para crecer o encogerse, dependiendo del régimen de la velocidad. Los científicos pudieron sintonizar y controlar activamente el flujo como un dominio de tamaño constante que podría mantenerse estable durante más de diez segundos.
Remodelación sistemática de dominios radiestesistas bajo la acción del láser y flujos oscilatorios. (A) Mover el rayo láser transversalmente a través del radiestesista a granel pellizca un "tren" uniforme de los dominios. (B) Un rayo estático a una potencia baja de 80 mW genera una pequeña región isotrópica que corta un gran dominio radiestesista longitudinalmente por la mitad. (C) La forma y el tamaño del dominio se pueden mantener durante mucho tiempo y escalas de longitud modulando periódicamente la presión de conducción alrededor del valor que induce el caudal promedio deseado. (D) Bajo un flujo alterno, un dominio de zahorí invierte la orientación cada vez que se cambia la dirección del flujo. La reorientación crea defectos puntuales en la superficie y realineación de frentes, visible bajo el microscopio como un cambio de color rápido. La orientación "vieja" energéticamente desfavorable se encoge en un solitón estrecho de 2π y pellizca el límite del dominio (flechas negras). (E) La inversión de flujo suficientemente rápida crea pares de defectos puntuales conectados por solitones. Con el flujo apagado la longitud característica llega al infinito, y los solitones se expanden, revelando su perfil característico en intensidad de luz transmitida (recuadro). En un flujo residual lento, Las piezas alineadas con el flujo se encogen más lentamente que las piezas con una orientación desfavorable. Barras de escala, 20 μm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4283
Es más, en el modelo desarrollado por Emeršič et al., demostraron cómo la dirección del flujo podría invertirse para el dominio del zahorí, conduciendo a una rápida inversión de la orientación del estado de equilibrio anterior. Además, El campo del zahorí podría acoplarse a campos eléctricos y magnéticos externos y gradientes del grosor del canal para determinar el control. dirección de flujo y ajuste óptico del material nemático 5CB. Los científicos observaron la respuesta directa a los estímulos externos claramente a través de la birrefringencia en el estudio y determinaron que este es un método adecuado para medir las propiedades viscoelásticas y reológicas del material.
Emeršič y col. Prever la posibilidad de llevar a cabo reacciones químicas en tales volúmenes cerrados en la práctica, como se mostró anteriormente con las plantillas de cristal líquido. Además de eso, basado en los principios esbozados por Emeršič y compañeros de trabajo, se puede diseñar un sistema de impresión 3D para contener líquidos, dentro del cual se pueden crear y estabilizar estructuras complejas y fuera de equilibrio. Los modelos experimentales desarrollados en este estudio utilizando LC termotrópicos estándar también son transferibles a materiales activos y biológicos con comportamiento nemático. El método propuesto y demostrado es una herramienta técnica en ciencia de materiales, con aplicaciones potenciales en biofísica, química e ingeniería química.
© 2019 Science X Network
