В предыдущих работах физики из Пенсильванского университета исследовали «эффект кофейного кольца» - кольцеобразное пятно частиц, остающееся после испарения капель кофе. В одной статье они узнали, как отменить этот эффект, изменив форму частиц. Теперь, в новой статье, опубликованной в Nature Communications, они раскрыли сложное и существенно отличающееся поведение, возникающее в капле жидкого кристалла, которая высыхает.
Исследование, проведенное в сотрудничестве с учеными из Университета Лихай и Колледжа Суортмор, выявило новые характеристики поведения жидких кристаллов, жидкостей с выровненными фазами составляющих молекул. Образование различных фаз во время сушки приводит к совершенно разным движениям жидкости и отложению твердых частиц, а также обеспечивает понимание, необходимое для контроля сушки растворов макромолекул, которые встречаются во многих красителях и фармацевтических препаратах.
Выпускница Пенсильвании Зои Дэвидсон, ныне работающая постдоком в Институте интеллектуальных систем им. Макса Планка в Германии, экспериментировала с Sunset Yellow, красителем, придающим Doritos и апельсиновым безалкогольным напиткам их яркие цвета, когда он случайно пролил немного материал.
«Я заметил, что рисунок разлива, оставленный каплей, был чем-то похож на рисунок кофе, который мы изучали ранее, но были и различия», - сказал Дэвидсон. «Высыхающие капли также имели макроскопически видимую внутреннюю структуру».
Дэвидсон вместе с Арджуном Йодом, директором Лаборатории исследований структуры материи и профессором Джеймса М. Скиннера кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук в Пенсильвании, и Питер Коллингс из Суортмора, адъюнкт-профессор Пенсильванского университета, затем решил исследовать это более контролируемым образом. Профессор Пенсильвании Рэндалл Камьен, 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 Хуан.
В отличие от частиц в кофейной капле, капля жидкого кристалла, которую они исследовали, представляла собой раствор молекул Sunset Yellow, которые спонтанно объединяются, образуя палочковидные макромолекулярные сборки, подобно тому, как палочковидные молекулы формируют жидкие кристаллы. используется в ЖК-дисплеях.
«Жидкие кристаллы - это фаза материи, - сказал Коллингс, - точно так же, как более известные твердая, жидкая и газообразная фазы. между компонентами, составляющими вещество, существует некоторый порядок. Таким образом, хотя компоненты диффундируют примерно так же, как это происходит в жидкостях, они сохраняют 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 дополнительных добавок, жидкие кристаллы, использованные в этом эксперименте, были хромоновыми жидкими кристаллами. Хромонные жидкие кристаллы состоят из совокупности молекул, диспергированных в жидкой воде.
Во время высыхания концентрация Sunset Yellow варьировалась в пределах капли, и изображения под микроскопом показали образование различных жидких фаз, таких как изотропная жидкость (случайная), жидкокристаллический нематический (выровненный) и жидкокристаллический столбчатый (цилиндрически упакованный) фазы, которые разделяются на разные области капли.
"Когда вы смотрите на падение с течением времени, - сказал Йодх, - оно не является однородным; оно имеет много структур".
Центральная область капли изотропна и окружена выровненной нематической фазой. Граница между двумя фазами смещалась к центру по мере высыхания капли, а затем появлялись другие области с различной структурой, такие как столбчатая и кристаллическая фазы..
«Это качественный скачок от капли, которая представляет собой одну фазу, которая просто становится более концентрированной, - сказал Йодх, - к капле, которая может переходить в несколько разных фаз в зависимости от концентрации. Различные фазы разделяются и влияют на вязкость и конвекцию в разных областях капли».
Они заметили необычную динамику в процессе сушки, но им было трудно различить эти процессы с помощью простой микроскопии. Таким образом, они объединили усилия с Чжоу и Хуаном, чтобы использовать оптическую когерентную микроскопию для отслеживания потока внутри капель. Новый микроскоп выявил круговые потоки, или токи Марангони, циркулирующие в направлении, противоположном направлению, наблюдаемому в других растворах. Эта аномалия циркуляции была вызвана необычными свойствами поверхностного натяжения Sunset Yellow.
Поскольку испарение происходит быстрее всего на внешнем краю высыхающей капли кофе, твердый материал внутри капли перемещается от центра капли к внешнему краю, принося с собой все больше и больше кофейных зерен.
«Эти кофейные зерна скапливаются на краю, - сказал Коллингс, - и после того, как капля полностью высохнет, образуется красивое темное кольцо из частиц кофе».
В конце концов, осаждение из высыхающей жидкокристаллической капли не было кольцеобразным или однородным.
«Во многих случаях, - сказал Коллингс, - существование жидкокристаллических фаз повышает вязкость и снижает скорость движения материала, поэтому окончательная форма выглядит как вулкан или затонувшее суфле».
Хотя были и другие исследования, в которых многофазность возникает при высыхании и испарении капель, особенно у края капли, это первый случай, когда исследователи исследовали множественные жидкокристаллические фазы и поняли, как вязкоупругие эффекты и другие свойства жидкости кристаллы влияют на окончательную картину осаждения при высыхании.
«Мы расширяем границы, - сказал Йод, - мы знаем, что многие системы на самом деле 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 жидкокристаллические фазы широко распространены в красителях и фармацевтических препаратах, это исследование может иметь потенциальное применение в будущем.
«Достаточно подумать о струйной печати, - сказал Коллингс, - чтобы понять чрезвычайно распространенный и полезный пример. Если в таких процессах участвуют вещества, образующие жидкокристаллические фазы, как это делают многие красители и лекарства, понимание, полученное в ходе наших экспериментов, будет иметь важное значение для достижения любых 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 интересные наблюдения, сделанные ими в отношении структур, которые образуются при высыхании материала.
«Формирующиеся структуры материала, - сказал Йод, - находятся под влиянием как традиционной равновесной термодинамики, так и конвекции жидкости, и в результате формируются новые структуры с новой замкнутой топологией».
Умение контролировать это явление было бы захватывающим следующим шагом.
«Забавно смотреть, как сохнет краска», - сказал Дэвидсон. «На самом деле все эти классные вещи происходят внутри капли».