Oblikovanje tekočekristalnih vlaken, kapljic in veziklov s pomočjo površinske napetosti

Datum objave: 2. 4. 2021
V žarišču
Objava Simona Čoparja s FMF in sodelavcev v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences of the U.S.A. (PNAS)
Oblikovanje tekočekristalnih vlaken, kapljic in veziklov s pomočjo površinske napetosti
Nematska vlakna, ki zrastejo iz kapljic, imajo konstantno debelino in dobro urejeno notranjo strukturo. Avtor slike: V. S. R. Jampani.

Po večletni raziskavi v soavtorstvu domačih in tujih raziskovalcev je bil objavljen članek z naslovom Self-shaping liquid crystal droplets by balancing bulk elasticity and interfacial tension v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences of the U.S.A. (PNAS). Eksperiment sta zasnovala V. S. R. Jampani in I. Muševič z Inštituta Jožef Stefan, S. Čopar s Fakultete za matematiko in fiziko pa je prispeval teoretični model opaženega pojava.

Tekoči kristali so tekočine, ki se zaradi anizotropnih gradnikov elastično odzivajo na neugodno hitre spremembe usmerjenosti molekul v prostoru. V primeru smektičnih tekočih kristalov imamo poleg orientacijske še pozicijsko ureditev v plasti, kar dodatno omejuje dovoljene strukture. Zahteve o orientacijskem redu na meji sredstva, naj bo to stena posode ali pa meja kapljice v zunanjem sredstvu, vsilijo orientacijski red, ki poišče stanje z najnižjo elastično energijo po celotni prostornini.

V primeru trdih sten se pri tem konča, v tekočekristalnih emulzijah pa lahko elastične sile vplivajo tudi na samo obliko kapljic. Tu je glavni dejavnik površinska napetost, ki želi zmanjšati površino kapljic in zato teži k okrogli obliki. Površinska napetost tako nasprotuje preoblikovanjem, ki bi jih zahtevala elastičnost v notranjosti kapljic. Dobimo kvečjemu zmerno razpotegnjene oblike, če je urejenost v kapljici nesimetrična.

Povsem nov svet se odpre, če dosežemo, da se površina ne želi zmanjšati ampak povečati. To matematično gledano ustreza negativni površinski napetosti in bi v običajnih tekočinah pomenilo popoln razpad emulzije - mešanje na mikroskopski ravni. V tekočem kristalu pa kljub težnji po naraščanju površine med medijem in tekočim kristalom popoln razpad ni ugoden, saj preveliko ukrivljanje površine prinaša energijsko neugodne elastične deformacije.

Avtorji članka so pokazali, da je efektivno površinsko napetost mogoče doseči s kombinacijo dveh površinsko aktivnih snovi, eno v tekočekristalni fazi (monoolein v 8CB tekočem kristalu), drugo v vodni fazi (CTAB). Z nižanjem temperature iz nematskih tekočekristalnih kapljic v tej mešanici rastejo izrastki - tekočekristalna mikrovlakna. Proces je temperaturno reverzibilen, mikrovlakna imajo pa dobro definirano konstantno debelino, ki je pogojena le z razmerjem med površinsko napetostjo in elastičnostjo. Z dodatnim ohlajanjem v smektično fazo mikrovlakna razpadejo v kapljice enakih premerov. Mehanizem je mogoče posplošiti na skorajda poljubno kombinacijo surfaktantov in tekočekristalnih medijev; v primeru smektika A* dobimo vezikle, ki se preoblikujejo v oblike, znane v bioloških materialih.

Univerzalnost mehanizma, ki inducira negativno efektivno površinsko napetost, pomeni, da lahko odkritje prenesemo na mnoge materiale z različnimi elastičnimi lastnostmi, na primer kiralne nematske faze. Pričakujemo samourejanje v zelo kompleksne oblike delcev, ki bi jih bilo sicer zelo težko ustvariti, posebej v večjih količinah. Tekočekristalna osnova omogoči, da snov reagira na zunanja električna polja. Vsi ti dejavniki so lahko v veliko pomoč pri zasnovi fleksibilnih in nastavljivih gradnikov za rabo v optiki, koloidnih materialih, vlaknastih snoveh in elastomerih.

Slika spodaj prikazuje preoblikovanje smektičnega mehurčka med tremi oblikami: stomatocita – diskocita – morska zvezda. Avtor slike: V. S. R. Jampani.

Vir: K. Peddireddy, S. Čopar, K. V. Le, I. Muševič, C. Bahr in V. S. R. Jampani, Self-shaping liquid crystal droplets by balancing bulk elasticity and interfacial tension, Proc. Natl. Acad. Sci. 118, e2011174118 (2021). https://www.pnas.org/content/118/14/e2011174118

Oblikovanje tekočekristalnih vlaken, kapljic in veziklov s pomočjo površinske napetosti