En trabajos anteriores, los físicos de la Universidad de Pensilvania investigaron el "efecto del anillo de café", la mancha de partículas en forma de anillo que queda después de que se evaporan las gotas de café. En un documento, aprendieron cómo deshacer este efecto alterando la forma de las partículas. Ahora,en un nuevo artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , han descubierto el comportamiento complejo y notablemente diferente que surge en una gota de cristal líquido que se está secando.
La investigación, realizada en colaboración con científicos de la Universidad de Lehigh y Swarthmore College, revela características de comportamiento novedosas de cristales líquidos, fluidos con fases alineadas de moléculas constituyentes. La formación de diferentes fases durante el secado conduce a movimientos de fluidos dramáticamente diferentes y depósitos sólidosy también proporciona información necesaria para el control de las soluciones de secado de macromoléculas que se producen en muchos colorantes y formulaciones farmacéuticas.
La alumna de Penn, Zoey Davidson, ahora postdoctorado en el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes en Alemania, había estado experimentando con Sunset Yellow, un tinte que le da a Doritos y refrescos naranjas sus colores brillantes, cuando accidentalmente derramó parte del material.
"Noté que el patrón de derrame dejado por la gota era similar a los patrones de café que habíamos estudiado antes, pero también había diferencias", dijo Davidson. "Las gotas de secado también tenían una estructura interior macroscópicamente visible."
Davidson, junto con Arjun Yodh, director del Laboratorio de Investigación sobre la Estructura de la Materia y el Profesor de Ciencias James M. Skinner en el Departamento de Física y Astronomía en la Escuela de Artes y Ciencias de Penn, y Peter Collings deSwarthmore, profesor adjunto en Penn, decidió investigar esto de una manera más controlada. El profesor de Penn Randall Kamien, el alumno de pregrado Adam Gross y los posdoctorales Angel Martinez y Tim Still también contribuyeron al estudio. El grupo colaboró con Chao Zhou de Lehigh ysu estudiante de doctorado Yongyang Huang.
A diferencia de las partículas en una gota de café, la gota de cristal líquido que estudiaron fue una solución de moléculas Sunset Yellow que se combinan espontáneamente para formar conjuntos macromoleculares en forma de varilla, de forma similar a cómo las moléculas en forma de varilla ordenan formar los cristales líquidos utilizados en los LCD.
"Los cristales líquidos son una fase de la materia", dijo Collings, "al igual que las fases sólidas, líquidas y gaseosas más conocidas. Son fluidos, lo que significa que toman la forma de su recipiente, pero a diferencia de los líquidos hay algunosorden entre los constituyentes que componen la sustancia. Por lo tanto, aunque los constituyentes se difunden de forma muy similar a lo que sucede en los líquidos, mantienen un orden orientativo y, a veces, posicional ".
Si bien los cristales líquidos utilizados en los LCD, llamados cristales líquidos termotrópicos, están hechos de moléculas sin nada más agregado, los cristales líquidos utilizados en este experimento fueron cristales líquidos cromónicos. Los cristales líquidos cromónicos consisten en conjuntos de moléculas dispersas en agua líquida.
Durante el secado, la concentración de Sunset Yellow varió dentro de la gota, y las imágenes del microscopio revelaron la formación de diferentes fases fluidas, como el líquido isotrópico aleatorio, el cristal líquido nemático alineado y el cristal líquido en columnas empaquetadas cilíndricamente que se segregana diferentes regiones de la gota.
"Cuando miras la caída con el tiempo", dijo Yodh, "no es uniforme; tiene mucha estructura".
La región central de la gota era isotrópica y estaba rodeada por la fase nemática alineada. El límite entre las dos fases se movió hacia el centro a medida que la gota se secaba, y luego aparecieron otras regiones con diferentes estructuras, como la columna yfases cristalinas.
"Es un salto cualitativo pasar de una caída que es una fase que se concentra más", dijo Yodh, "a una caída que puede cambiar en varias fases diferentes según la concentración. Las diferentes fases se segregan y afectan la viscosidad yconvección en diferentes regiones de la gota "
Notaron una dinámica inusual en el proceso de secado, pero les resultó difícil discernir estos procesos con microscopias simples. Por lo tanto, unieron fuerzas con Zhou y Huang para emplear microscopía de coherencia óptica para rastrear el flujo dentro de las gotas. El nuevo microscopio reveló flujo circularpatrones, o corrientes de Marangoni, que circulan en una dirección opuesta a la observada en otras soluciones. Esta anomalía de circulación se debió a las propiedades de tensión superficial inusuales de Sunset Yellow.
Debido a que la evaporación ocurre más rápido en un borde exterior en una gota de café seco, el material sólido dentro de la gota se transporta desde el centro de la gota al borde exterior, trayendo más y más granos de café con él.
"Estos granos de café se acumulan en el borde", dijo Collings, "y después de que la gota se haya secado por completo, se obtiene un bonito anillo oscuro de partículas de café".
Al final, la deposición de la gota de cristal líquido de secado no fue similar a un anillo o uniforme.
"En muchos casos", dijo Collings, "la existencia de fases de cristal líquido aumenta la viscosidad y disminuye la velocidad a la que se mueve el material, por lo que la forma final parece un volcán o un soufflé hundido".
Aunque ha habido otras investigaciones en las que surgen múltiples fases en el secado y la evaporación de las gotas, especialmente cerca del borde de la gota, esta es la primera vez que los investigadores investigan múltiples fases de cristal líquido y entienden cómo los efectos viscoelásticos y otras propiedades de los cristales líquidos afectanpatrón de deposición de secado final.
"Estamos empujando una frontera", dijo Yodh, "Sabemos que muchos sistemas en realidad pueden tener estas propiedades, y esta investigación es importante si quieres entender lo que van a hacer".
Muchas tecnologías dependen de depositar material de manera precisa a través de la evaporación de un solvente. Dado que las fases similares a cristales líquidos son comunes entre los colorantes y los productos farmacéuticos, esta investigación podría tener aplicaciones potenciales en el futuro.
"Uno solo tiene que pensar en la impresión por chorro de tinta", dijo Collings, "para darse cuenta de un ejemplo extremadamente común y útil. Si tales procesos involucran sustancias que forman fases de cristal líquido, como hacen muchos tintes y medicamentos, entonces la comprensión se obtiene a través denuestros experimentos serán importantes para lograr los resultados deseados "
Pero gran parte de la importancia de este trabajo radica en el ámbito de la ciencia básica.
"Nuestra comprensión recién descubierta de cómo se secan las gotas de otra clase de materiales", dijo Collings, "corrobora algunos conceptos desarrollados antes pero también extiende nuestro conocimiento a los reinos donde el comportamiento es diferente".
Los investigadores esperan hacer un seguimiento de algunas de las observaciones interesantes que hicieron sobre las estructuras que se forman a medida que el material se seca.
"Los patrones de material que se forman", dijo Yodh, "están influenciados tanto por la termodinámica de equilibrio tradicional como por la convección de fluidos y las nuevas estructuras con nuevas topologías bloqueadas como resultado"
Ser capaz de controlar este fenómeno sería un próximo paso emocionante.
"Eso es lo divertido de ver la pintura seca", dijo Davidson. "En realidad, están sucediendo todas estas cosas interesantes dentro de la gota".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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