La organización química en los sistemas de reacción-difusión ofrece una estrategia para generar materiales con morfologías y arquitectura ordenadas. Se pueden formar estructuras periódicas utilizando moléculas o nanopartículas. Una frontera emergente en la ciencia de los materiales tiene como objetivo combinar nanopartículas y moléculas. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Amanda J. Ackroyd y un equipo de científicos en química, física y nanomateriales en Canadá, Hungría y EE. UU. Observaron cómo la evaporación del solvente de una suspensión de nanocristales de celulosa (CNC) y ácido L - (+) - tartárico [abreviado L - (+) - TA] provocó que la separación de fases de la precipitación produjera la alteración rítmica del CNC -Rico, L - (+) - TA suena. Las regiones ricas en CNC mantuvieron una estructura colestérica, mientras que las bandas ricas en L - (+) - TA se formaron a través de haces radialmente alargados para ampliar el conocimiento de los sistemas de difusión y reacción autoorganizados y ofrecer una estrategia para diseñar materiales autoorganizados.

Organización química

El proceso de autoorganización y autoensamblaje ocurre universalmente en sistemas de materia viva que no están en equilibrio, entornos geoquímicos, ciencia de materiales y en la industria. Los experimentos existentes que conducen a estructuras periódicas se pueden dividir en dos grupos, incluidos los experimentos clásicos de tipo Liesegang y la organización química a través de la precipitación periódica para generar materiales con morfologías ordenadas y jerarquía estructural. En este trabajo, Ackroyd y col. desarrolló una estrategia de evaporación de solventes para separar en fases una solución acuosa de nanocristales de ácido tartárico / celulosa [L - (+) - TA / CNC o TA / CNC] para su posterior precipitación dando como resultado una alternancia rítmica de CNC-rich o CNC- regiones de tipo anillo empobrecidas. El equipo desarrolló un modelo cinético que coincidía cuantitativamente con los resultados experimentales. La obra amplía la gama de sistemas de reacción-difusión autoorganizados para allanar el camino para materiales funcionales estructurados periódicamente.

Experimentos

Ackroyd y col. depositó suspensiones mixtas como gotitas en portaobjetos de vidrio y las colocó inmediatamente en una cámara de humedad. Usando un microscopio óptico polarizador (POM), formaron imágenes de las películas de secado con diferentes composiciones de TA / CNC (nanocristales de ácido tartárico / celulosa). Las películas formadas al secar la solución de ácido tartárico mantuvieron una morfología de esferulita con una estructura en forma de aguja. Usando imágenes de secado TA / CNC, El equipo notó la formación de anillos a partir de un punto de nucleación cercano al centro de la película, desde el cual crecieron radialmente y periódicas hacia el borde de la película. Luego caracterizaron los patrones de anillos en las películas, donde el aumento de la humedad relativa, aumentó el valor de su período. Para comprender la dinámica de crecimiento de la formación de anillos periódicos, Ackroyd y col. registró la evolución de los patrones espacio-temporales de evaporación del agua para las películas líquidas. Etiquetaron los CNC con un tinte de isotiocianato de fluoresceína unido covalentemente (FITC), caracterizar la composición de anillos alternos en la película compuesta. Basado en las imágenes POM (microscopio óptico de polarización), notaron las bandas periódicas enriquecidas y privadas de CNC en la película compuesta.

Caracterización de la película compuesta.

Para caracterizar aún más las películas compuestas, los científicos adquirieron espectros bajo transmisión diferencial de luz polarizada circularmente de mano opuesta. Usando microscopía electrónica de barrido, obtuvieron imágenes de la sección transversal de la película de las regiones ricas en CNC y ricas en TA. Para comprender la topografía de la superficie de la película compuesta, utilizaron microscopía de fuerza atómica. Usando imágenes POM de gran aumento, Ackroyd y col. señaló las regiones ricas en TA en amarillo y naranja claro, mientras que las regiones ricas en CNC aparecieron en color rojo y verde. El equipo también realizó imágenes de polarimetría para mapear la variación en el estado de polarización de la luz transmitida. Para lograr esto, iluminaron una película con una luz polarizada linealmente de 532 nm con un estado de polarización de la luz paralelo al borde vertical de las imágenes. Basado en experimentos de polarimetría y POM, 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.

Numerical model

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.

panorama

De este modo, 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.

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