콜로이드 탁토이드의 모양과 구조적 완화

Oct 19, 2023

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2778(2022) 이 기사 인용

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외부 장에 대한 액정 콜로이드의 손쉬운 기하학적 구조 반응은 많은 기술 발전을 가능하게 합니다. 그러나 이동 경계 아래의 액정 콜로이드에 대한 이완 메커니즘은 아직 연구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 여기에서는 실험, 수치 시뮬레이션 및 이론을 결합하여 아밀로이드 원섬유와 셀룰로오스 나노결정이 모델 시스템으로 사용되는 탁토이드라고 불리는 콜로이드 액정 미세 액적의 모양과 구조적 완화를 설명합니다. 우리는 탁토이드 형상 이완이 보편적인 단일 지수 붕괴 시그니처를 가지며 액정 이방성 및 등방성 기여에 의해 제어되는 평형 과정에서 이를 예측하기 위한 분석적 표현을 유도한다는 것을 보여줍니다. 탁토이드 구조적 완화는 바닥 상태의 확산/굽힘/비틀림 방향 구조의 존재에 따라 1차 및 2차 지수 붕괴와 함께 근본적으로 다른 경로를 보여줍니다. 우리의 연구 결과는 액정 콜로이드 시스템의 동적 감금 효과에 대한 포괄적인 이해를 제공하고 새로운 반응성 재료 개발에 있어 탐구되지 않은 방향을 설정할 수 있습니다.

콜로이드 액정은 모양 이방성 나노입자가 등방성 유체에 분산될 때 형성되는 연질 물질의 한 종류입니다1. 유한한 부피에 국한되면 막대 모양의 콜로이드 입자는 이방성 점탄성과 표면 특성 사이의 섬세한 균형에 의해 설정되는 다양한 구조로 자가 구성됩니다. 이러한 기여 간의 미묘한 균형으로 인해 기계, 흐름, 전기 및 자기와 같은 외부 장1,5에 쉽게 반응하여 많은 기회와 기술 응용이 가능해집니다. 예로는 디스플레이, 의료 기기 및 광학의 공간 광 변조기 및 조정 가능한 필터, 신속한 진단을 위한 액정 바이오 센서, 액정 이방성 물리적 특성을 활용하는 인공 근육과 같은 새로운 기능성 소재가 있습니다6,7,8. 그러나 외부 장(및 교란)에 대한 손쉬운 반응성으로 인해 콜로이드 액정은 동적 조건에서 실험적으로 연구하기에 매우 취약합니다5,9. 특히, 모바일 가두기 하에서 액정 액적의 이완은 응축 물질 물리학의 다양한 현상에서 핵심적인 중요성에도 불구하고 여전히 잘 이해되지 않고 있습니다. 여기에는 활성 네마틱(예: 살아있는 액정13) 분야에 영향을 미치는 입자 패킹10, 자기 조립11 및 콜로이드 액체의 완화12가 포함되며, 여기서는 액정의 유체 역학에 대한 이해가 중요합니다14.

탁토이드로 알려진 액정 액적은 콜로이드 액정의 특히 중요한 예입니다. 콜로이드 액정은 열역학적으로 구동되는 현상에서 비롯되는 자체 선택된 모양/구조를 갖는 미세하게 제한된 액정 콜로이드로 구성되기 때문입니다. , 자발적인 액체-액정 상분리15,16,17,18,19,20,21,22,23. 다른 비혼화성 액체(기름 속의 물과 같은)에 액정을 유화하여 일반적으로 달성되는 구형 액정 유제와는 완전히 대조적으로, 탁토이드는 서로 다른 네마틱-콜레스테릭 내부 구조를 갖는 방추형, 장형 또는 편원형 모양을 유지합니다. 4,15,16,17,18,19,20,21,22,26, 사라지는 작은 계면 장력, 계면에 고정되는 표면, 콜로이드의 키랄성 및 이방성 탄성 특성 사이의 결합의 결과로, 4. 이러한 특징은 탁토이드를 독특한 점탄성 및 경계 특성을 갖는 매우 독특한 시스템으로 만들어 동적 조건에서 이러한 복잡한 콜로이드 시스템을 설명할 때 실험적인 시스템에 이론적 과제를 추가합니다. 예를 들어, 최근 실험에서는 경계가 콜로이드의 국소 구조와 콜로이드 시스템의 구조 완화의 평형 경로에 중요한 영향을 미친다는 것을 시사합니다. 그러나 그러한 이해는 주로 정적 경계 조건을 갖는 콜로이드 시스템의 조사에서 비롯됩니다. 또한, 현재 연구의 과제 중 하나는 액정 탁토이드의 자기 조립 속도를 형태 완화에서 분리하여 자기 조립 복잡한 콜로이드 시스템의 동역학에 대한 통찰력을 제공하는 것입니다.