Исследование, проведенное в сотрудничестве с учеными из Университета Лихай и Свортмор-колледжа, выявило новые характеристики поведения жидких кристаллов, жидкостей с выровненными фазами составляющих молекул. Образование различных фаз во время сушки приводит к резко различающимся движениям жидкости и осаждению твердых веществ, а также обеспечивает понимание, необходимое для контроля высыхающих растворов макромолекул, которые встречаются во многих красителях и фармацевтических препаратах.Выпускница Пенсильванского университета Зои Дэвидсон, которая сейчас работает постдоком в Институте интеллектуальных систем им. Макса Планка в Германии, экспериментировала с желтым закатом, красителем, который придает яркий цвет Doritos и оранжевым безалкогольным напиткам, когда он случайно пролил часть материала.
«Я заметил, что рисунок разлива, оставленный каплей, был в некотором роде похож на рисунок кофе, который мы изучали ранее, но были также различия», — сказал Дэвидсон. «Высыхающие капли также имели макроскопически видимую внутреннюю структуру».Дэвидсон, вместе с Арджуном Йодхом, директором Лаборатории исследований структуры материи, и профессором науки Джеймса М. Скиннера на факультете физики. Астрономия в Школе искусств Наук в Пенсильвании, и Питер Коллингс из Суортмора, адъюнкт-профессор Пенсильванского университета, затем решил исследовать это более контролируемым образом.
Профессор Пенсильванского университета Рэндалл Камиен, выпускник бакалавриата Адам Гросс и постдоки Анхель Мартинес и Тим Стилл также внесли свой вклад в исследование. Группа сотрудничала с Чао Чжоу из Лихай и его доктором философии. студент Юнъян Хуанг.В отличие от частиц в капле кофе, капля жидкого кристалла, которую они изучали, была раствором молекул желтого цвета заката, которые спонтанно объединяются, образуя стержневидные макромолекулярные сборки, аналогично тому, как стержневидные молекулы образуют жидкие кристаллы, используемые в ЖК-дисплеях.
«Жидкие кристаллы — это фаза материи, — сказал Коллингс, — точно так же, как и более известные твердые, жидкие и газовые фазы. Они являются жидкостями, что означает, что они принимают форму своего сосуда, но в отличие от жидкостей между составляющие, составляющие субстанцию.
Таким образом, хотя составляющие диффундируют вокруг во многом подобно тому, что происходит в жидкостях, они поддерживают некоторый ориентационный, а иногда и позиционный порядок ».В то время как жидкие кристаллы, используемые в ЖК-дисплеях, называемые термотропными жидкими кристаллами, состоят из молекул без каких-либо добавлений, жидкие кристаллы, используемые в этом эксперименте, были хромонными жидкими кристаллами.
Хромонные жидкие кристаллы состоят из совокупностей молекул, диспергированных в жидкой воде.Во время высыхания концентрация желтого цвета заката изменялась внутри капли, и изображения под микроскопом показали образование различных жидких фаз, таких как изотропная жидкая (случайная), жидкокристаллическая нематическая (выровненная) и жидкокристаллическая столбчатая (цилиндрически упакованная) фазы, которые разделяются на разные фазы. области падения.«Когда вы смотрите на каплю с течением времени, — сказал Йодх, — она неоднородна; у нее много структур».Центральная часть капли была изотропной и была окружена выровненной нематической фазой.
Граница между двумя фазами перемещалась к центру по мере высыхания капли, а затем появлялись другие области с другой структурой, такие как столбчатая и кристаллическая фазы.«Это качественный скачок от капли, которая представляет собой одну фазу, которая становится более концентрированной, — сказал Йод, — к капле, которая может переходить в несколько различных фаз в зависимости от концентрации. Различные фазы разделяются и влияют на вязкость и конвекцию в разные регионы капли ".Они заметили необычную динамику процесса сушки, но им было трудно различить эти процессы с помощью простых микроскопов.
Таким образом, они объединили свои усилия с Чжоу и Хуангом, чтобы использовать оптическую когерентную микроскопию для отслеживания потока внутри капель. Новый микроскоп выявил круговые потоки, или токи Марангони, циркулирующие в направлении, противоположном тому, которое наблюдается в других растворах.
Эта аномалия циркуляции возникла из-за необычных свойств поверхностного натяжения желтого заката.Поскольку испарение происходит быстрее всего на внешнем крае высыхающей капли кофе, твердый материал внутри капли переносится от центра капли к внешнему краю, принося с собой все больше и больше кофейных зерен.
«Эти кофейные зерна накапливаются по краям, — сказал Коллингс, — и после полного высыхания капли получается красивое темное кольцо из частиц кофе».В конце концов, осаждение из капли высыхающего жидкого кристалла не было кольцевым или однородным.«Во многих случаях, — сказал Коллингс, — наличие жидкокристаллических фаз увеличивает вязкость и снижает скорость движения материала, поэтому конечная форма выглядит как вулкан или затонувшее суфле».
Хотя были и другие исследования, в которых при высыхании и испарении капель возникают несколько фаз, особенно вблизи края капли, это первый раз, когда исследователи исследовали несколько жидкокристаллических фаз и поняли, как вязкоупругие эффекты и другие свойства жидких кристаллов влияют на окончательную сушку. образец осаждения.«Мы расширяем границы, — сказал Йодх. — Мы знаем, что многие системы действительно могут обладать этими свойствами, и это исследование важно, если вы хотите понять, что они собираются делать».Многие технологии зависят от точного нанесения материала путем испарения растворителя. Поскольку жидкие кристаллоподобные фазы распространены среди красителей и фармацевтических препаратов, это исследование может иметь потенциальные применения в будущем.
«Достаточно подумать о струйной печати, — сказал Коллингс, — чтобы понять чрезвычайно распространенный и полезный пример. Если в таких процессах участвуют вещества, которые образуют жидкие кристаллические фазы, как это делают многие красители и лекарства, то понимание, полученное в ходе наших экспериментов будет иметь важное значение для достижения желаемых результатов ".Но большая часть важности этой работы лежит в области фундаментальной науки.
«Наше новое понимание того, как высыхают капли другого класса материалов, — сказал Коллингс, — подтверждает некоторые концепции, разработанные ранее, но также расширяет наши знания в области, где поведение отличается».Исследователи надеются продолжить некоторые из интересных наблюдений, которые они сделали о структурах, которые образуются по мере высыхания материала.«Образцы материала, которые образуются, — сказал Йодх, — находятся под влиянием как традиционной термодинамики равновесия, так и конвекции жидкости, и в результате формируются новые структуры с новыми замкнутыми топологиями».
Следующим захватывающим шагом будет возможность контролировать это явление.«Это самое забавное в наблюдении за высыханием краски», — сказал Дэвидсон. «На самом деле внутри капли происходит все это крутое».