프로그래밍 van der Waals 상호 작용과 복잡한 대칭으로 미을 사용하여 액정 성

결과

주문의 LCs 내에 국한 마이크로미터 규모의 도메인에 의해 제어되 계면 상호작용,탄성의 에너지는 긴장 상태의 LCs,topological 결함이 발생하는 시스템에서 지속적인 변형의 LCs 을 수용할 수 없는 경계 조건(13,19-21)., 매우 다양한 조직의 LCs 내 microdroplets 보고되었을에 걸쳐,achiral 및 카이랄 LCs 에서 형성된 유기농 및 수성 단계(19,20). 우리가 시작했 우리의 연구를 검사하여 achiral nematic LCs 에서 형성된 혼합물 4-cyano-4′-pentylbiphenyl(5CB),반응성 mesogen1,4-bis-2-methylbenzene 를(RM257)(22),그리고 광개시제 2-dimethoxy-2-phenylacetophenone(DMPA;질량 비율로 혼합물의 10:15:1RM257:5CB:DMPA)(23,24)., 모두 nematic5CB 및 RM257 가 이방성 유전체 반응 기능으로,굴절률과 정적 상수 유전체의 5CB 및 RM257 되는 가장 큰 함께 LC 감독(에서 자세히 설명한 것과 같이 보충 자료).

우리는 이산 LC 혼합물로 글리세롤을 형성 마이크로미터 크기의 LC 방울을 가지는 소위 양극 구성,구성 quadrupolar 대칭과는 LC 감독 프로필 수렴에서 북쪽과 남극을 표면 결함(으로도 알려진 boojums)(Fig. 1 기음)., 이 구성은 글리세롤(21)에 대한 계면에서 LC 의 접선 방향과 일치한다. 광중합에 이어,브라이트-필드(그림 1). 1A)및 편광 현미경(교차 연결됩;Fig. 도 1B)는 고분자 미세 입자가 형성되는 LC 방울의 양극성 구성을 보존했음을 확인 하였다(도 1b). 1 기음). 아 asphericity 에서 형태에서 측정 고분자,미,일관성과 계면의 에너지 LC 방울이 큰 비해 탄력 에너지(23,24).,

우리는 매핑 공간의 변화 van der Waals 상호 작용을 통해 표면의 중합된 양극 뒤로 돌이킬 수 없 흡착시키는 작은 PS 콜로이드 프로브(1µm in diameter,임신 소수 붕소 dipyrromethene 기반 fluorophore;λex=505nm,λem=515nm)로 표면의 미세 입자., 기 때문에 강도의 van der Waals 입자 간의 상호 작용이와 반경을 그리고 r1,r2 것으로 r1r2/(r1+r2)에서 작은 분리(1),를 사용하여 LC 뒤 반경 20~80μm 프로브 PS 콜로이드와 함께 반경의 500nm,힘의 상호 작용 프로브의 콜로이드할 수 있도록 설계되었 독립적인 LC microparticle 크기입니다. 우리는 물 속의 프로브 콜로이드와 양극성 미세 입자의 제타 전위를 각각 -56±1mV(n=5)와 -49±6mV(n=12)로 측정했다., 일관성과 이러한 측정의 부재,전해질 첨가하는 물,형광 영상(그림. 1D)밝혔다 프로브 colloids 하지 않았 흡착에 표면의 중합된 양극 미(추가 논의는 LC microparticle 형광에서 제시하는 보충 자료)., 료 상영을 통해 달성 외의 염화나트륨(NaCl)(최종 집중력,10mM)가 관찰되었을 시작하는 돌이킬 수 없는 heterocoagulation 사이브 콜로이드와 LC,미,일관성과 매력적인 van der Waals 상호 작용을 초과하는 강도는 전기 더블 레이어 반발(Fig. 1E).

다음으로,우리는 10mM NaCl 의 존재하에 양극성 미세 입자의 표면에 흡착 된 프로브 콜로이드의 공간 분포를 정량화했다., 총수의 콜로이드 프로브에 흡착시 미 증가 시간,일관적으로 지어 집계 프로세스합니다(아래 참조). 따라서,우리는 고정된 흡착 시간 30 분을 달성하기 위해 대부분 25adsorbed colloids 당 microparticle(의 저밀도 콜로이드 최소화의 영향 콜로이드-콜로이드 상호작용에서의 공간적 분포 colloids 에 각 microparticle). 우리는 계량 면적 밀도의 흡착된 프로브 콜로이드 σi 내에서의 각각 여섯 지역에 정의된 표면의 LC 미(Fig., 1F;900 개 이상의 프로브 콜로이드와 80 년대 중합한 뒤에 사용되었 이러한 측정,추가적인에 표시된 이미지 보충 자료)고 표준화는 이러한 밀도에 의해 총 면적 밀도의 콜로이드 프로브,σt. 도 1 의 검사. 1G 은 양극성 미세 입자의 표면에 흡착 된 프로브 콜로이드(σi/σt)의 평균 면적 밀도가 균일하지 않음을 보여준다., 구체적으로 흡착하는 프로필은 대칭에 대한 적도 평면 관찰되었으로,정상화 영역 밀도의 콜로이드 프로브는 가장 낮은 표면 근처에 결함을 표시하는 북극과 남극의 미. 측정된 표면을 밀도에서는 북극 지역 외부에 거짓말의 유니폼 배분(정상화 영역의 밀도 unity)에서는 95%의 신뢰 수준을 나타내는 고갈의 흡착된 콜로이드 밀도는 극 근처에 상대적인 균일 배포합니다., 반대로,흡착된 프로브 콜로이드 밀도에서 적도의 지역 미 측정을 거의 두 배는 북극 지역입니다. 이 프로브 콜로이드 패턴의 대칭(quadropolar)은 양극성 미세 입자 내에서 lc 차수의 대칭과 유사합니다.

으로 제어 실험을 통해,우리는 반복 위에서 설명한 방법을 사용하거나 LC 뒤에 중합 방사형 구성하거나 미 polymerized 가열한 후에 LC 을 형성하는 등방성 단계에 있습니다. 그림 2 는 대표적인 밝은 필드 마이크로 그래프를 보여줍니다(그림 2)., 도 2,A 및 D),편광 된 광 마이크로 그래프(교차 폴라;도 2,a 및 D). 도 2,B 및 E),및 미세 입자 내의 5cb/RM257 의 내부 차수의 개략적 인 그림(도 1). 2,C 및 F). 방사형 구성 microparticle 특징은 지역과 수직(homeotropic)표면의 정렬 LC 전체 액적 인터페이스 방향을 달성 또는 나트륨 라우릴 설페이트(SDS)의 수용액 단계(최종 농도의 2mM)기 전에 중합이 있습니다., 등방성 미가 준비한 난방 LC 혼합물을 위 nematic-등방성 전이 온도(~60°C)글리세롤을 하기 전에 중합,들의 부재에 의해 특징 어떤 광학 복굴절에 따라 실온으로 냉각하여(임의의 중합체 네트워크에 의해 형성된 RM257 좌절의 모습 nematic 순서에 따라 열을 냉각하여 상온 보충 자료에 대한 추가적인 세부사항). 두 가지 유형의 미세 입자 모두 양극성 미세 입자와 구별 할 수없는 제타 전위를 가지고있었습니다., 대조적으로 중합된 양극 미리 측정되는 통계적으로 유의한 변화(95%의 신뢰 구간에서)면적 밀도의 콜로이드 프로브에 흡착된 표면의 중합되는 광선 또는 등방성 미(Fig. 2 그램).

무화과의 결과. 1 및 2,결합했을 때,가설 주도하는 공간 패턴의 콜로이드 프로브 표면의 양극 뒤에서 일어나 van der Waals 호는 인코딩에 의하여 주문 근처의 분자 내에서 양극 미., 을 개발하기 전에 상세한 모델의 van der Waals 상호 작용으로 인코딩 LC 미리 예상하기 위해 크기의 변화에서의 에너지 프로브 콜로이드와 상호 작용 양극 microparticle 여 계산하는 방향을 따라 Hamaker 위한 상수의 상호 작용하는 LC 슬래브(으로 복굴절의 5CB)으로 등방성 슬래브(으로 광학적 특성의 PS)에 걸쳐 물(eq. S1,추가 정보는 보충 자료 참조). Hamaker 상수를 1.7×10-20J 에서 1 로 변경하도록 계산했습니다.,LC 슬래브 내의 LC 배향이 평면에서 homeotropic(즉,수직)으로 변경됨에 따라 3×10-20J. 면 분석을 사용하여 Derjaguin 근사(1),우리가 계산 van der Waals 상호작용 에너지 사이에 1μm-직경 프로브 콜로이드와 LC 슬래브를 변경하여 15kBT 으로의 방향 LC. 이 효과의 크기(즉,,,>10kBT,아래의 검증에 의해 실험)에서 제공 초기에 대한 지원이 우리의 가설의 방향 LCs 내에서 미하는 데 사용될 수 있 인코딩의 변화에서 van der Waals 는 상호 작용을 충분히 큰을 직접 하단까지 어셈블리의 부드러운 문제 시스템입니다.,

을 개발하량 예측의 공간의 변형을 강도의 van der Waals 상호작용에서의 표면에 양극 LC 뒤에서 물,우리는 첫 번째 계산 LC 이사 프로파일을 최소화함으로써 탄력 있고 지상에 기여 자유의 에너지 LC 방울에서는 고분자 미 합성 되었(보충 자료). 이러한 계산을 위해 액적 표면에서 LC 의 쉬운 축의 방향(즉,, 최저 무료 에너지향)이었으로 간주됩 접선 및 크기의 표면에 고정 에너지,W(에너지 벌금과 관련된 편차의 nematic 감독에서 쉽게 축에 물방울이 인터페이스)는 다양한 강도에서 64.5 0.6µN/m,에 해당하는 강하고 약한 고정을 각각합니다(그림. 3,A~C)., microparticle 볼륨 요소와 프로브 콜로이드,α 사이의 각 nematic 의 이사 LC microparticle 볼륨 요소인 센터의 LC microparticle 볼륨 요소와 프로브 콜로이드,R(x1)은 중심 사이의 거리를 프로브 콜로이드와 LC microparticle 볼륨 요소,그리고 아오고 있 Hamaker 상수 계산을 사용하여 일반 굴절율 상수 유전체의 LC,또는 연산을 의미의 평범한 특별한 굴절률과 상수 유전체, 때 LC 와 상호작용하는 PS,각각합니다., 우리는 계산이 수량을 사용하여 적응적으로 상대적이고 절대적인 오류가 허용오차 10-5(그림 3D,3E 에 자세히 설명되어 있는 보충 자료). 도 1 의 검사. 3D 계시는,중급자 표면 고정(W=6.2µN/m),van der Waals 상호 작용의 에너지는 콜로이드-LC microparticle 쌍에 따라 약 20kBT 콜로이드 샘플의 표면에 양극 microparticle(표면적을 가진 분리의 3nm,에 해당하는 Debye 심사 길이)입니다., 에서 동일한 표면 분리,절대 규모의 van der Waals 상호작용에서 에너지는 북극 지역은~-85kBT(Fig. 3E).

에 대한 통찰력을 제공하기 위해 결과는 그림에 표시됩니다. 도 3,D 및 E,우리는 프로브 콜로이드 근처의 LC 의 평균 배향을 특성화했다(aeff;α 의 국부 값은도 1 의 삽입물에 정의되어있다. 상이한 표면 앵커링 에너지에 대해(도 3f). 3 층). 도 1 의 검사., 3F 계시는 것에 대한 강한(고체 orange line),중간체(솔리드 블루 라인),및 약한(단선)접선의 고정 LC 의 표면에 microparticle,aeff 접근 0°때 프로브 콜로이드 가까워지면 각각의 표면 결함의 양극 microparticle(β=0 도)을 나타내는,일반(최소)굴절률의 LC 지배 van der Waals 상호작용에서는 북극 지역., 반면에,근처에 적도 지역의 microparticle,aeff 접근 90°을 나타내는 van der Waals 상호 작용에 적도 근처에 반영하는 평균의 일반 특별한 굴절율의 LC. 질적으로,높은 효과적인 굴절률,및 대응 강한 van der Waals 상호 작용을 경험 콜로이드 프로브에서 적도 지역의 바이폴라 microparticle 일치와 우리의 실험적 관찰의 높은 흡착된 프로브 콜로이드 밀도 적도 근처에 있습니다(Fig. 1 그램)., 그림 3 층 또는 변경에서 유전체기능에 의해 경험 프로브 콜로이드 근처에 양극 microparticle 강력한 기능의 고정 에너지,약한 접선 표면에 고정을 제공하는 더 점진적인 변화에서 로컬 Hamaker 정에서 양극 microparticle 표면보다 강한 접선 표면에 고정. 우리는 또한 반 데르 발스 상호 작용 에너지가 Eq 로부터 계산 된 것을 발견했다. 1 은 양극성 미세 입자의 표면에서 LC nematogens 의 배향에 기초한 계산에 의해 잘 근사되었다(도 1)., 3,D 및 E),와 일관되는 관측 van der Waals 상호 작용은 특히 민감하여 표면에 고정 에너지와 이에 따라 표면의 방향 LC(아래 참조).

다음에,우리는 평가 순이의 상호 작용,에너지 φnet,사이브 콜로이드와 중합된 양극 microparticle 의 합계로 매력적인 van der Waals 고 불쾌 전기 더블 레이어 상호작용(1). 우리는 계산의 전기 더블 레이어 상호작용을 사용하여 연속체 이론과 일정과 균일한 표면을 청구 밀도에서의 무한한 분리(25,26)., 이러한 이론,가정 하는 페어 가산성의 구성은 양의 농축 단계로 나누를 위한 콜로이드와 함께 크기의 수만 명의 나노미터(27)그러나 일반적으로 발견되는 좋은 근사한 뒤. 우리는 해석에 흡착되어 콜로이드 위치에서 관찰 하는 우리의 실험과 함께 10mM aqueous NaCl 에서 발생하는 기본 집계는 이벤트 사이브 콜로이드와 중합 LC 뒤. W=6 의 앵커링 에너지를 사용하는 경우.,2µN/m,우리가 발견 φnet 계산한 값을 사용하여 표면위에서의 무한한 분리 -50mV 예측의 존재 이 기본 최소 10mM 소금은 그의 부재에서는 순수한 물(Fig. 4,A 및 B). 이 값의 표면에 잠재적 무한 분은 또한 좋은 계약으로 측정되는 제타 잠재력(위며 추가 정보에 있어서 보충 자료).

위에서 언급했듯이,우리의 실험적 관찰의 공간 패턴의 콜로이드 프로브에서의 표면 LC 미 일관으로 지어 과정(28,29)., 따라서,우리가 사용 φnet 을 평가하는 입자가속,JC,의 콜로이드 프로브의 표면에 각 microparticle asJC=FC1+r2r1∫(1+r2r1)∞D12∞D12(ρ)exp(ϕnet(ρ)kBT)dpp2(2)는 FC 프로브 콜로이드 플럭스의 부재에서 분자간(van der Waals 및 전기이중층)또는 유체 상호 작용 사이 콜로이드 프로브(radius,r1)및 microparticle radius(r2), 고 φnet 확장하여 열에너지,kBT 에서,차원 중심 분리,ρ(조정하여 r1)., 유체 상호 작용 사이브 콜로이드와 microparticle 통합되었을 계산하여 변경에 상대적 확산율,D12∞/D12 으로,기능의 차원의 분리(보충 자료). 그림 4C 보여주는 프로브 콜로이드 플럭스,계산 microparticle 표면에 잠재적 무한 분리 -50mV 범위의 접선 표면에 고정,에너지,주위에서 적도의 영역 microparticle,그리고 그 공간의 변화에서 프로브 콜로이드 플럭스는 가장 큰 W=6.2µN/m.,

다음으로,도 1 에서 프로브 콜로이드 플럭스를 통합 하였다. 도 4 에 정의 된 미세 입자의 표면 영역에 걸쳐 C. 1F,표면을 위한 잠재력에 무한한 분리 -50mV 강한(64.5µN/m),중급(6.2µN/m),그리고 약한(0.6µN/m)접선 LC 표면에 고정(보충 자료에 대한 결과를 이 과정의 적용을 중간 정박). 도 1 의 검사. 1G 밝혀 우리의 예측에 기반한 강력한 표면에 고정하는 수익률을 거의 균일한 표면 밀도의 콜로이드 프로브에서 모순을 저희 실험입니다., 그러나,우리의 예측에 대해 공간의 변화에서 프로브 콜로이드 흡착 밀도에서는 표면의 미와 중간 접선 표면에 고정 수익률이 가까운 계약(이내에 95%의 신뢰 간격)와 실험(Fig. 1 그램). 특히,적도 지역의 표면의 양극 미가로 꾸며지는 밀도의 콜로이드 프로브는 약 두 번의 극 영역입니다. 또한,흡착 된 프로브 콜로이드 분포의 4 극 대칭은 실험과 계산간에 일관성이 있습니다.,

을 제공하는 추가 테스트는 우리의 가설을 van der Waals 상호작용을 인코딩할 수 있습에 의하여 내부 구성 LC 미리 준비 LC 미으로 배위 대칭이다. 이사 프로파일 LC 물방울에 사용되는 이러한 실험(라는 고정 preradial 구성)었을 특징으로 지역 homeotropic 표면의 정렬 LC 및 고정된 표면 결함이다. 이 구성은 수성상에 SDS 를 첨가하기 전에 LC microdroplet 표면에 PS 콜로이드를 흡착시킴으로써 달성되었다(2mM 의 최종 농도;도 1). 5,A~D)., 중합 후,고정 된 preradial microparticles 를 순수한 물로 완전히 헹구어 미세 물 표면에서 SDS 를 제거 하였다. 이러한 미세 입자의 제타 전위 측정은 중합 된 바이폴라 LC 미세 입자와 유사한 값을 산출했다(위 참조). 우리는 프로브 콜로이드 사용하여 핀 표면 결함 사진-표백제는 동안 중합하고 따라서 영향을 주지 않는 흡착 통계 프로브의 colloids. 도 1 의 검사., 도 5e 는 고정 된 preradial microparticles 가 또한 흡착 된 프로브 콜로이드 밀도의 nonuniform 분포를 초래하는 van der Waals 상호 작용을 인코딩한다는 것을 보여준다. 구체적으로,표면 결함에 가깝게,우리는 95%신뢰 구간의 외부에있는 흡착 된 콜로이드 밀도의 향상을 관찰한다. 다른 곳에서는 콜로이드 밀도의 균일 한 분포가 측정됩니다(95%신뢰 이내).

의 부재에서 PS 콜로이드 흡착된 표면의 LC 물방울,2mM SDS 관찰되었을 일으킬 LC 방울을 채택하는 방사형 구성이 있습니다. 우리는이 결과를 해석하여 중합 전에 고정 된 preradial 방울의 표면에서 lc 의 배향이 강한 homeotropic anchoring 에 해당 함을 나타냅니다. 우리는 얻어진 실험 결과를 고정 된 preradial microparticles 와 비교했다(그림 1)., 5E)콜로이드를 흡착 밀도를 사용하여 계산된 다양한 표면에 고정 에너지와 지상 잠재력을에 무한한 분리(보충 자료). 우리는 발견하는 예측에 기초한 표면의 잠재력 -50mV 강한 homeotropic 정박(W=0.66mN/m)었에서 고유치의 실험 결과(그림. 5E). 높은 콜로이드 흡착 밀도 관찰에 가까운 표면의 결함에 의해 발생 van der Waals 상호 작용에 의해 생성된 근 접선의 방향 LC 아래 microparticle 표면입니다., 도 1 에 도시 된 예측 및 측정 된 콜로이드 흡착 프로파일의 쌍극자 대칭. 5E 과 대조 quadrupolar 의 대칭 프로파일 측정으로 양극 미을 제공하는,추가적인 지원에 대한 우리의 결론의 조작 LC 주문에서 미 제공하는 다양한 의미의 패턴 van der Waals 상호 작용을 통해 표면의 미세 입자.피>

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