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使用液晶性将具有复杂对称性的范德华相互作用

时间:2020-07-16 21:47

  通用的非对称范德华相互作用设计方法可以通过自下而上的工程扩展材料开发的范围流程。在一项新的研究中,HA Fuster和威斯康星大学麦迪逊分校,美国威斯康星大学和美国纽约康奈尔大学的化学与生物工程和数学研究团队演示了液晶聚合法(范)华尔互动。他们使用动力学控制的探针胶体吸附过程进行了实验,并进行了补充计算,以表明LC排序可以对微粒表面上的范德华相互作用进行编程。他们通过局限地设计了多种LC配置,以提供新鲜的想法,以便对范德华相互作用进行编程,以组装软物质。结果现已发表在《科学进展》上。

  颗粒组装成团簇和网络是形成各种形式的软物质的基础,包括泡沫,乳液和薄膜涂层。尽管过去的大多数研究都集中在通过粒子间相互作用形成的材料上,但最近的研究已经转向通过自下而上的编码各向异性粒子间相互作用的颗粒组装来设计软材料。范德华相互作用在所有粒子系统中无处不在,代表了另一种有前途的编程软物质组装的方法。在这份报告中,Fuster等人探索了一种方法,该方法基于从液晶(LC)合成聚合物微粒来控制微粒系统中范德华相互作用的对称性。他们描述了组成均匀且球形的聚合物微粒如何具有明确定义的取向顺序模式,以编码具有复杂对称性的范德华相互作用。

  该团队聚合了制备为水包油乳液的LC(液晶)微滴,以证明内部取向顺序如何调节微粒表面范德华相互作用的空间变化。他们用微米级的聚苯乙烯(PS)胶体探测了这些相互作用。范德华相互作用共同包括偶极-偶极(Keesom),偶极-诱导的偶极(Keesom),偶极-诱导的偶极(Debye)和瞬时偶极-诱导的偶极(伦敦)相互作用。可以使用Lifshitz理论计算相互作用通过低频和高频成分的介电响应函数相对于构成材料。Fuster等人使用LC合成具有所需内部定向顺序的微粒,并使用该内部配置对范德华相互作用的复杂但可预测的空间模式进行编程。结果和计算表明,LC如何为程序范德华相互作用的通用方法提供基础,类似于材料科学中传统的自下而上的装配过程。

  先前的研究报道了微滴中LC的组织结构非常多样化,包括手性由有机相和水相形成的非手性液相色谱。该团队首先在这项工作中检查了由几种不同化学混合物形成的非手性LC,其中这些化合物具有各向异性的介电响应功能。然后,研究小组将LC混合物分散到甘油中,形成了具有双极性构型的微米级LC液滴。聚合物微粒保留了LC液滴的双极性构型,光聚合后由它们形成,如明场和偏振光显微照片所证实。然后,科学家通过在这种微粒表面上可逆吸附聚苯乙烯探针胶体(直径1 m),绘制了聚合双极性微粒表面范德华相互作用的空间变化。

  他们解释了与探针胶体和LC微粒之间的范德华相互作用有关的实验观察结果。例如,研究小组量化了在盐水存在下吸附在双极微粒表面上的探针胶体的分布,在动力学控制的聚集过程中,该数量随时间增加。为了进行对照实验,他们重复了使用以径向构型聚合的LC(液晶)微粒的方法。根据这些结果,Fuster等人假设双极性微粒上的探针胶体的图案是通过双极性微粒中分子的取向顺序编码的范德华相互作用产生的。

  然后,研究小组研究了双极性LC微粒内部有序的理论预测,并计算了其有吸引力的相互作用能。他们指出,探针胶体与双极微粒之间的范德华相互作用在赤道区域更强,并且与实验观察结果一致。探针胶体在双极性微粒附近经历的介电响应变化起着很强的锚定能的作用,范德华相互作用对这种表面锚定能特别敏感。

  Fuster等。然后研究了探针胶体与聚合的双极性微粒之间的净相互作用能,它们是有吸引力的范德华力和排斥双层相互作用的总和。为了进一步支持范德华相互作用可以由LC微粒的内部结构编码的假设,该小组制备了具有偶极对称性的LC微粒。他们注意到这些微粒的zeta电位测量结果与聚合双极性LC微粒相似。根据实验结果,Fuster等人。证实了在微粒内控制LC有序化提供了一种在微粒表面上构图范德华相互作用的通用方法。

  这样,HA Fuster和他的同事通过控制内部LC的有序化并量化整个LC微粒表面上动力学控制的胶体吸附来表征编程到微粒中的各向异性范德华相互作用。实验和支持计算结果表明,范德华相互作用在整个LC微粒表面的空间变化最大为20 KBT。此大小足以设计自下而上的组件软材料。科学家解释了与LC(液晶)微粒和探针胶体之间的范德华相互作用有关的实验观察结果。该结果为将范德华相互作用编程到胶体软物质系统中的通用和简单方法奠定了基础,因为科学家可以改变LC的顺序并在一系列实验几何形状中对其进行操作。这项研究的原理将适用于一系列软物质现象,包括粘附和润湿表面,包括形成胶体组件,例如玻璃,晶体和凝胶。

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