Форма и структурная релаксация коллоидных тактоидов

Oct 19, 2023

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2778 (2022) Цитировать эту статью

3042 Доступа

2 цитаты

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Легкая геометрическо-структурная реакция жидкокристаллических коллоидов на внешние поля позволяет добиться многих технологических достижений. Однако механизмы релаксации жидкокристаллических коллоидов под подвижными границами остаются до сих пор неизученными. Здесь, объединяя эксперименты, численное моделирование и теорию, мы описываем форму и структурную релаксацию коллоидных жидкокристаллических микрокапель, называемых тактоидами, где амилоидные фибриллы и нанокристаллы целлюлозы используются в качестве модельных систем. Мы показываем, что релаксация формы тактоидов имеет универсальную сигнатуру одиночного экспоненциального затухания, и получаем аналитическое выражение, позволяющее предсказать этот неравновесный процесс, который определяется анизотропными и изотропными вкладами жидкокристаллических кристаллов. Структурная релаксация тактоидов демонстрирует принципиально разные пути с экспоненциальным затуханием первого и второго порядка в зависимости от существования ориентационных структур растяжения/изгиба/скручивания в основном состоянии. Наши результаты дают всестороннее понимание эффектов динамического удержания в жидкокристаллических коллоидных системах и могут задать неизведанные направления в разработке новых чувствительных материалов.

Коллоидные жидкие кристаллы представляют собой класс мягкой материи, образующейся при диспергировании анизотропных по форме наночастиц в изотропной жидкости1. Находясь в ограниченном объеме, стержнеобразные коллоидные частицы самоорганизуются в различные структуры, которые устанавливаются за счет тонкого баланса между анизотропными вязкоупругими и поверхностными свойствами2,3,4. Тонкий баланс между этими вкладами приводит к легкой реакции на внешние поля1,5, такие как механические, потоковые, электрические и магнитные, что открывает множество возможностей и технологических приложений. Примеры включают дисплеи, пространственные модуляторы света и настраиваемые фильтры в медицинских устройствах и оптике, жидкокристаллические биосенсоры для быстрой диагностики и новые функциональные материалы, такие как искусственные мышцы, использующие анизотропные физические свойства жидких кристаллов6,7,8. Однако легкая реакция на внешние поля (и возмущения) делает коллоидные жидкие кристаллы очень хрупкими для экспериментального изучения в динамических условиях5,9. В частности, релаксация жидкокристаллических капель в условиях подвижного удержания до сих пор плохо изучена, несмотря на ее центральное значение для множества явлений физики конденсированного состояния. Это включает упаковку частиц10, самосборку11 и релаксацию коллоидных жидкостей12, что имеет значение в области активных нематиков, например, живых жидких кристаллов13, где понимание гидродинамики жидких кристаллов имеет решающее значение14.

Жидкокристаллические капли, известные как тактоиды, являются особенно важным примером коллоидных жидких кристаллов, поскольку они состоят из микроограниченных жидкокристаллических коллоидов с самостоятельно выбранной формой/структурой, вытекающей из термодинамически обусловленных явлений, из которых они возникают, т.е. , спонтанное расслоение фаз жидкость–жидкая кристаллика15,16,17,18,19,20,21,22,23. В отличие от сферических жидкокристаллических эмульсий, обычно получаемых путем эмульгирования жидких кристаллов в другой несмешивающейся жидкости (например, воды в масле)24,25, тактоиды имеют веретенообразную, вытянутую или сплюснутую форму с различными нематико-холестерическими внутренними структурами2,3, 4,15,16,17,18,19,20,21,22,26, как следствие связи между исчезающе малым межфазным натяжением, поверхностным сцеплением на границе раздела, хиральностью коллоидов и анизотропными упругими свойствами3, 4. Эти особенности делают тактоиды уникальной системой с особыми вязкоупругими27,28,29 и граничными3,4 свойствами, тем самым добавляя теоретические проблемы к экспериментальным при описании этих сложных коллоидных систем в динамических условиях. Например, недавние эксперименты показывают, что граница оказывает существенное влияние на локальную структуру коллоидов30,31,32,33 и на пути уравновешивания структурной релаксации коллоидных систем34; однако такое понимание в основном приходит в результате изучения коллоидных систем со статическими граничными условиями30,31,32,33,34,35. Более того, одна из задач текущего исследования состоит в том, чтобы отделить скорость самосборки жидкокристаллических тактоидов от релаксации формы, что позволит получить представление о кинетике самоорганизующихся сложных коллоидных систем.