物理学者は、なぜ液晶滴を乾燥させるのが珍しい「コーヒーリング」を残すのかを発見する

Anonim

以前の論文では、ペンシルバニア大学の物理学者が、コーヒーの滴の後に残った粒子のリング状の汚れが蒸発する「コーヒーリング効果」を調べました。 ある論文では、粒子の形状を変えることによってこの効果を元に戻す方法を学びました。 現在、 ネイチャーコミュニケーションズ に掲載された新しい論文では、乾燥している液晶滴に生じる複雑で顕著に異なる挙動を明らかにしています。

Lehigh UniversityとSwarthmore Collegeの科学者との共同研究では、構成分子の位相が整った液体、液晶の新しい挙動特性が明らかになりました。 乾燥中の異なる相の形成は、劇的に異なる流体移動および固体沈着をもたらし、多くの染料および医薬製剤中に存在する巨大分子の乾燥溶液の制御に必要な洞察も提供する。

ドイツのインテリジェント・システムズのマックス・プランク研究所のポスト・ドックであるペン・オデッセンは、誤って材料の一部をこぼしてしまったときに、ドリトスとオレンジのソフトドリンクに明るい色を与える染料サンセットイエローを試していました。

「落下による残量パターンが以前に研究したコーヒーパターンと似ていたが、違いもあったことに気づいた」とDavidson氏は語った。 「乾燥した滴は巨視的に見える内部構造も持っていた」

デイビッドソンはArjun Yodh博士と物理学とJames M. Skinnerの研究のための研究室のディレクター、PennのArts&Sciencesの物理学と天文学の教授、SwarthmoreのPeter Collings、ペン教授の補佐教授は、より管理された方法でこれを調査することにしました。 ペン教授のランダル・カミエン(Randall Kamien)、学部生のアダム・グロス(Adam Gross)、ポスト・ドックエンジェル・マルティネス(Angel Martinez)、ティム・スティル(Tim Still)もこの研究に貢献しました。 このグループは、LehighのChao Zhou氏とPh.D. 学生ヨンヤン黄。

コーヒードロップ中の粒子とは異なり、彼らが研究した液晶滴は、棒状分子がどのように液晶に使用される液晶を形成するかと同様に、自発的に結合して棒状高分子集合体を形成するサンセットイエロー分子の溶液であった。

"液晶は物質の相である"とCollings氏は次のように述べている。「よりよく知られている固体、液体、気体の相と同じように、液体であることは容器の形をとっていることを意味するが、液体とは異なり、その成分を構成する構成成分は、液体中で起こるような成分のまわりで成分が拡散するが、それらはある方向性を有し、時には位置秩序を維持する」

サーモトロピック液晶と呼ばれるLCDに使用される液晶は、何も添加されていない分子から作られているが、この実験で使用される液晶はクロモニック液晶である。 クロモニック液晶は、液体の水に分散した分子の集合からなる。

乾燥中、サンセットイエロー濃度は液滴内で変化し、顕微鏡画像は、等方性液体(ランダム)、液晶ネマチック(整列)および液晶カラム(円筒状にパックされた)相のような異なる流体相の形成を明らかにし、ドロップの領域。

ヨダは、「時間が経つにつれてその低下を見ると、統一されていない、構造がたくさんある」と語った。

滴の中心領域は等方性であり、整列したネマチック相に囲まれていた。 2つの相の境界は、液滴が乾燥すると中心に向かって移動し、次に柱状相および結晶相のような異なる構造を有する他の領域が現れた。

Yodh氏は、「1つの液滴から、より濃縮された1つの液滴から質的に飛躍する」と、Yodh氏は次のように語っています。「液滴は、濃度に応じていくつかの異なる段階に変化します。ドロップのさまざまな領域。

彼らは乾燥プロセスで異常なダイナミクスに気づいたが、単純な顕微鏡でこれらのプロセスを識別することは困難であることがわかった。 したがって、彼らは周と黄と光コヒーレンス顕微鏡を用いて液滴内部の流れを追跡するようになった。 新しい顕微鏡は、円形の流れパターン、またはマランゴニ電流を、他の溶液に見られる方向とは反対の方向に循環することを明らかにした。 この循環異常はサンセットイエローの異常な表面張力特性によるものであった。

コーヒーの乾燥液滴の外縁部で蒸発が最も速く起こるため、液滴の中心から外縁部に固形物が移動し、コーヒー粒が多くなります。

Collings氏は、「これらのコーヒー穀粒は端に溜まっています。そして、滴が完全に乾燥した後に、コーヒー粒子の素晴らしい、濃い色のリングが得られます」。

最終的に、乾燥液晶滴からの堆積はリング状または均一ではなかった。

「多くの場合、液晶相の存在は粘性を高め、材料の移動速度を低下させるので、最終的な形状は火山または沈んだスフレのように見える」とCollingsは述べた。

液滴の乾燥および蒸発、特に滴下付近で複数の相が生じるという研究は他にもあるが、これは研究者が複数の液晶相を研究し、液晶の粘弾性および他の特性が最終乾燥にどのように影響するかを理解した初めての研究である堆積パターン。

Yodh氏は、「我々は多くのシステムが実際にこれらの特性を持つことができることを知っており、彼らが何をするのかを理解したい場合にはこの研究が重要だ」と語った。

多くの技術は、溶媒の蒸発によって正確な方法で材料を堆積させることに依存する。 液晶様の相は染料と医薬品に共通しているので、この研究は潜在的な応用をもたらす可能性がある。

Collings氏は、「インク・ジェット・プリンティングについて考える必要がある」と述べ、「非常に一般的で実用的な例を実現するためには、液晶相を形成する物質が多く、染料や薬物の数が多いほど、どんな結果が望まれても達成する上で重要になるだろう」

しかし、この研究の重要性の多くは、基礎科学の領域にある。

Collings氏は、「別の種類の材料の液滴がどのように乾燥しているかについて、私たちは新たに理解しています」とCollings氏は「以前に開発されたいくつかのコンセプトを実証しています。

研究者は、材料が乾燥するにつれて形成される構造について、彼らが行った興味深い観察のいくつかについてフォローアップすることを望んでいる。

「形成される物質のパターンは、伝統的な平衡熱力学と流体対流と新規の構造が結合した新しい構造との両方に影響を受ける」とYodh氏は述べた。

この現象を制御できるようにすることは、エキサイティングな次のステップになります。

「塗料の乾燥を見ることは面白いことだ」とデビッドソン氏は語った。 「実際には、このクールなことはすべてドロップの中で起こっている」

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