Programowanie interakcji van der Waalsa ze złożonymi symetriami na mikrocząstki przy użyciu ciekłej krystaliczności
wyniki
kolejność LCs ograniczona w domenach mikrometrycznych jest kontrolowana przez interakcje międzyfazowe, Energie sprężyste Stanów napiętych LCs oraz defekty topologiczne, które występują w układach, w których ciągłe napięcie LCS nie może pomieścić warunków brzegowych (13, 19-21)., Odnotowano niezwykle zróżnicowany wachlarz organizacji LCs w mikrodropletach, obejmujących achiralne i chiralne LCs utworzone z faz organicznych i wodnych (19, 20). Rozpoczęliśmy nasze badania od badania achiralnych nematycznych LCs utworzonych z mieszanin 4-cyjano-4′ – pentylobifenylu( 5CB), reaktywnego mezogenu 1,4-bis-2-metylobenzenu (RM257) (22) i fotoinicjatora 2-dimetoksy-2-fenyloacetofenonu (DMPA; stosunek masy mieszaniny wynosił 10:15:1 RM257:5CB:DMPA) (23, 24)., Zarówno nematyczne 5CB, jak i RM257 mają anizotropowe funkcje odpowiedzi dielektrycznej, przy czym współczynniki załamania światła i statyczne stałe dielektryczne 5cb i RM257 są największe wzdłuż dyrektora LC (jak opisano w materiałach dodatkowych).
rozproszyliśmy mieszaninę LC do glicerolu, tworząc mikrometryczne krople LC o tak zwanej konfiguracji dwubiegunowej, konfiguracji z symetrią czworokątną i profilem dyrektora LC, który zbiega się na Biegunie Północnym i południowym do defektów powierzchniowych (znanych również jako boojums) (rys. 1C)., Konfiguracja ta jest zgodna z orientacją styczną LC na interfejsie do glicerolu (21). Po fotopolimeryzacji jasne pole (rys. 1A) i mikrofrografy światła spolaryzowanego (skrzyżowane Polary; rys. 1B) potwierdziły, że mikrocząstki polimerowe zachowały bipolarną konfigurację kropelek LC, z których zostały utworzone (zilustrowane na Rys. 1C). W mikrocząsteczkach polimerowych nie zmierzono kształtu asferycznego, co odpowiada dużej energii międzyfazowej kropelek LC w porównaniu z energiami sprężystymi (23, 24).,
przedstawiciel (A) jasnego pola i (B) spolaryzowanego światła (strzałki dwugłowe pokazują orientację polaryzatorów) polimeryzowanego bipolarnego mikrocząsteczki LC. C) Ilustracja wewnętrznej kolejności mikrocząstek w lit. A) i B). D) mikrograf Fluorescencyjny polimeryzowanego mikrocząsteczki dwubiegunowej w obecności koloidów sondy PS, ale bez dodatku NaCl oraz (E, koloryzowany) w obecności koloidów sondy i 10 mM wodnego NaCl., Pomarańczowe pudełka podkreślają położenie czterech koloidów adsorbowanych w ognisku. E) wstawka: tabela wyszukiwania (LUT) dla mikroskopu fluorescencyjnego kolorowego (ImageJ, „UnionJack”). F) obszary powierzchni mikrocząstek używane do klasyfikacji lokalizacji koloidów sondy na powierzchniach polimeryzowanych mikropęcherzyków bipolarnych. (G) niebieskie paski: znormalizowane gęstości powierzchni koloidów sondy zmierzone w celu adsorbowania na powierzchniach polimeryzowanych mikrocząstek bipolarnych., Dane bipolarne mikrocząstek zostały obliczone z 11 niezależnych eksperymentów, z 84 polimeryzowanych mikrocząstek LC i 952 koloidy sondy adsorbowane na powierzchniach tych mikrocząstek. Paski błędów są 95% przedziałami ufności na średnich dla 84 mikrocząstek. (gwiazdy i okręgi) przewidywania teoretyczne gęstości koloidów adsorbowanych na powierzchniach mikrocząstek bipolarnych, ze wskazaną siłą zakotwiczenia stycznego. Białe, jednogłowe strzałki na obrazach wskazują miejsca występowania wad powierzchniowych. Bary skali, 15 µm (λex = 505 nm, λem = 515 nm).,
odwzorowaliśmy przestrzenną zmienność oddziaływań van der Waalsa na powierzchniach polimeryzowanych mikrocząstek dwubiegunowych poprzez nieodwracalnie adsorbujące małe koloidy sondy PS (o średnicy 1 µm, impregnowane hydrofobowym fluoroforem na bazie dipirometenu boru; λex = 505 nm, λem = 515 nm) na powierzchniach polimeryzowanych mikroprocesorów bipolarnych.mikrocząsteczki., Ponieważ siła oddziaływań van der Waalsa między cząstkami o promieniach R1 i R2 skalach jako r1r2/(r1 + r2) przy małych separacjach (1), przy użyciu mikrocząstek LC o promieniach między 20 i 80 µm i koloidów sondy PS o promieniach 500 nm, Siła interakcji koloidu sondy została zaprojektowana tak, aby była niezależna od wielkości mikrocząstek LC. Zmierzyliśmy potencjały zeta koloidów sondy i mikrocząstek bipolarnych w wodzie na odpowiednio -56 ± 1 mV (n = 5) i -49 ± 6 mV (N = 12)., Zgodnie z tymi pomiarami, w przypadku braku elektrolitu dodawanego do wody, obrazowanie fluorescencyjne (rys. 1D) wykazały, że koloidy sondy nie adsorbują się na powierzchniach polimeryzowanych mikrocząstek bipolarnych (dodatkowe omówienie fluorescencji mikrocząstek LC przedstawiono w materiałach uzupełniających)., Badanie przesiewowe ładunku uzyskane poprzez dodanie chlorku sodu (NaCl) (stężenie końcowe, 10 mM) spowodowało nieodwracalną heterokoagulację między koloidami sondy a mikrocząsteczkami LC, co jest zgodne z atrakcyjnymi oddziaływaniami van der Waalsa przekraczającymi siłę elektrycznego odpychania dwuwarstwowego (rys. 1E).
następnie obliczyliśmy przestrzenny rozkład koloidów sondy adsorbowanych na powierzchniach mikrocząstek bipolarnych w obecności 10 mM NaCl., Całkowita liczba koloidów sondy adsorbowanych na mikrocząstkach wzrastała wraz z upływem czasu, zgodnie z kontrolowanym kinetycznie procesem agregacji (patrz poniżej). W związku z tym ustaliliśmy czas adsorpcji na 30 min, aby osiągnąć co najwyżej 25 adsorbowanych koloidów na mikrocząstkę (niska gęstość koloidów minimalizowała wpływ interakcji koloid-koloid na przestrzenne rozmieszczenie koloidów na każdym mikrocząstce). Określiliśmy ilościowo gęstość powierzchni koloidów sondy adsorbowanej σi w każdym z sześciu regionów określonych na powierzchniach mikrocząstek LC (rys., 1F; ponad 900 koloidów sondy i 80 polimeryzowanych mikrocząstek zostały wykorzystane w tych pomiarach; dodatkowe obrazy pokazane w materiałach uzupełniających) i znormalizowane te gęstości przez całkowitą gęstość arealną koloidów sondy, σt. Kontrola rys. 1G ujawnia, że średnie gęstości arealne koloidów sondy (σi / σt) adsorbowanych na powierzchniach mikrocząstek bipolarnych nie są jednolite., W szczególności zaobserwowano profil adsorpcji, który jest symetryczny względem płaszczyzny Równikowej, przy czym znormalizowana gęstość powierzchni koloidów sondy jest najniższa w pobliżu defektów powierzchni, które wyznaczają północny i południowy biegun mikrocząstek. Zmierzone gęstości powierzchni w regionach polarnych leżą poza równomiernym rozkładem (znormalizowana gęstość arealna jedności) na poziomie ufności 95%, co wskazuje na ubytek gęstości koloidów adsorbowanych w pobliżu biegunów w stosunku do równomiernego rozkładu., Odwrotnie, gęstość koloidów sondy adsorbowanej w równikowych regionach mikrocząstek została zmierzona jako prawie dwukrotnie większa niż w regionach polarnych. Symetria (czworoboczna) tego wzoru koloidalnego sondy jest podobna do symetrii LC w obrębie mikrocząstki dwubiegunowej.
jako eksperymenty kontrolne, powtórzyliśmy metody opisane powyżej za pomocą mikrocząstek LC polimeryzowanych w konfiguracji radialnej lub mikrocząstek polimeryzowanych po podgrzaniu LC w celu utworzenia fazy izotropowej. Rysunek 2 przedstawia reprezentatywne mikrografy o jasnym polu (rys., 2, A i D), mikrografy światła spolaryzowanego (skrzyżowane Polary; rys. 2, B i E) oraz schematyczne ilustracje wewnętrznej kolejności 5cb / RM257 w mikrocząstkach (rys. 2, C i F). Konfiguracja promieniowa mikrocząsteczki charakteryzuje się lokalnym prostopadłym (homeotropowym) wyrównaniem powierzchni LC na całym interfejsie kropel, orientacją, która została osiągnięta przez dodanie siarczanu dodecylu sodu (SDS) do fazy wodnej (końcowe stężenie 2 mM) przed polimeryzacją., Mikrocząstki izotropowe, przygotowane przez podgrzanie mieszaniny LC do temperatury przejścia nematyczno-izotropowego (~60°C) w glicerolu przed polimeryzacją, charakteryzowały się brakiem jakiejkolwiek dwójłomności optycznej po ochłodzeniu do temperatury pokojowej (losowa sieć polimerowa utworzona przez RM257 udaremniła pojawienie się porządku nematycznego po hartowaniu termicznym do temperatury pokojowej; więcej szczegółów w materiałach dodatkowych). Oba typy mikrocząstek miały potencjały zeta, które były nieodróżnialne od bipolarnych mikrocząstek ., W przeciwieństwie do polimeryzowanych mikrocząstek bipolarnych, nie mierzyliśmy statystycznie istotnej zmiany (95% przedziałów ufności) gęstości powierzchni koloidów sondy adsorbowanych na powierzchniach polimeryzowanych mikrocząstek promieniowych lub izotropowych (rys. 2G).
reprezentacyjne (a i D) jasne pole i (B I E) spolaryzowane mikroukłady światła (strzałki dwugłowe pokazują orientację polaryzatorów) polimeryzowanego promieniowego mikroukładu LC (a i B) i izotropowego (D i E)., C I F) ilustracje wewnętrznych porządków mikrocząstek odpowiednio w lit. a) i B) oraz D) I E). (G) bary: znormalizowana gęstość powierzchni koloidów sondy PS adsorbowanych na powierzchniach polimeryzowanych promieniowych mikrocząstek LC (pomarańczowych) i izotropowych (szarych). Dane mikrocząstek promieniowych zostały obliczone z 12 niezależnych eksperymentów, z 132 polimeryzowanymi mikrocząstkami LC i 503 koloidami z adsorbowanej sondy. Dane mikrocząstek izotropowych zostały obliczone na podstawie 20 niezależnych eksperymentów z 179 polimeryzowanymi mikrocząstkami i 521 koloidami z sondy adsorbowanej., Bary błędów są 95% przedziałami ufności na średnich Dla 132 promieniowych mikrocząstek LC i 179 izotropowych. Pozioma linia przerywana odpowiada jednolitej gęstości adsorpcji we wszystkich regionach powierzchni. Listwy podziałkowe, 15 µm.
wyniki w figach. 1 i 2, po połączeniu, doprowadziły nas do hipotezy, że przestrzenne wzorce koloidów sondy na powierzchniach mikrocząstek bipolarnych powstały z interakcji van der Waalsa, które zostały zakodowane przez orientacyjny porządek cząsteczek w mikrocząstkach bipolarnych., Przed opracowaniem szczegółowego modelu oddziaływań van der Waalsa zakodowanych przez mikrocząstki LC, oszacowaliśmy rząd wielkości zmienności energii koloidu sondy oddziałującego z mikrocząstkami bipolarnymi, najpierw obliczając zależne od orientacji stałe Hamakera dla interakcji płyty LC (z dwójłomnością 5cb) z płytą izotropową (o właściwościach optycznych PS) w wodzie (eq. S1, Zobacz dodatkowe materiały). Obliczyliśmy, że stałe Hamakera zmieniają się z 1,7 × 10-20 J na 1.,3 × 10-20 J jako orientacja LC w płycie LC zmieniła się z planarnej na homeotropową (tj. prostopadłą). Analizując przy użyciu przybliżenia Derjaguina (1), obliczyliśmy energię oddziaływania van der Waalsa między koloidem sondy o średnicy 1 µm i płytą LC, aby zmienić o 15 kBT z orientacją LC . Wielkość tego efektu (tj.,,>10 kBT, zweryfikowane poniżej eksperymentem) zapewnia wstępne poparcie dla naszej hipotezy, że orientacje LCs w mikrocząsteczkach mogą być wykorzystane do kodowania zmian w oddziaływaniach van der Waalsa, które są wystarczająco duże, aby kierować oddolnym montażem układów miękkiej materii.,
aby opracować ilościową prognozę przestrzennej zmienności siły oddziaływań van der Waalsa na powierzchniach bipolarnych mikrocząstek LC w wodzie, najpierw obliczyliśmy profile dyrektora LC, minimalizując udział sprężystości i powierzchni w energii swobodnej kropelek LC, z których syntetyzowano polimerowe mikrocząstki (patrz Materiały uzupełniające). Dla tych obliczeń orientacja prostej osi LC na powierzchni kropli (tj., przyjęto, że najniższa orientacja energii swobodnej) jest styczna, a wielkość powierzchniowej energii zakotwiczenia, W (Kara energetyczna związana z odchyleniami dyrektora nematycznego od prostej osi na styku kropli), była różna w wytrzymałości od 64,5 do 0,6 µN/m, co odpowiada odpowiednio mocnemu i słabemu zakotwiczeniu (rys. 3, A do C)., mikrocząsteczkowy element objętości i koloid sondy, α to kąt między dyrektorem nematycznym mikrocząsteczkowego elementu objętości LC a linią łączącą centra mikrocząsteczkowego elementu objętości LC i koloidu sondy, R(x1) to odległość od środka do środka między koloidem sondy a mikrocząsteczkowym elementem objętości LC, a Ao I Am to stałe Hamakera obliczone przy użyciu zwykłego współczynnika załamania światła i stałej dielektrycznej LC lub środków arytmetycznych zwykłych i nadzwyczajnych współczynników załamania światła i stałych dielektrycznych, gdy LC jest interakcja z PS, odpowiednio., Obliczyliśmy tę ilość za pomocą kwadratury adaptacyjnej o względnych i bezwzględnych tolerancjach błędów 10-5 (Rysunek 3D, 3E, szczegółowo opisany w materiałach dodatkowych). Kontrola rys. 3D ujawnia, że dla pośredniego zakotwiczenia powierzchni (W = 6,2 µN/m), energia oddziaływania van der Waalsa pary mikrocząstek koloidalnych LC zmienia się o około 20 kBT, gdy koloid pobiera powierzchnię bipolarnego mikrocząstek (z separacją powierzchni 3 nm, odpowiadającą długości przesiewania Debye ' a)., Przy tej samej separacji powierzchni absolutna wielkość energii oddziaływania van der Waalsa w regionie biegunowym wynosi ~-85 kBT (rys. 3E).
(A do C) Profile reżyserskie w płaszczyźnie X-z bipolarnego mikroprocesora LC obliczone numerycznie dla stycznych energii zakotwiczenia powierzchni 64,5 µN/M (A), 6,2 µN/m (B) i 0,6 µN/M (C). (D i E) atrakcyjna energia interakcji obliczona przy użyciu równania., 1 albo przez (linie stałe) integrujące wszystkie elementy objętościowe mikrocząstki bipolarnej z pośrednim (W = 6,2 µN/m) zakotwiczeniem stycznym lub przez (linie przerywane) przybliżające kolejność LC na powierzchni najbliższej koloidowi sondy jako reprezentatywną dla całej objętości, pod różnymi kątami padania (β) przy separacji powierzchni do powierzchni, d, 3 nm (D) i przy różnych separacjach powierzchni do powierzchni powyżej bieguna (β = 0°) (E). D) wstawka: Ilustracja pokazująca kąt padania, β. (E) wstawka: Ilustracja pokazująca położenie koloidu sondy, ponieważ separacja powierzchni do powierzchni jest zróżnicowana., F) obliczony średni kąt widzenia, aeff, pobrany przez koloid sondy jako funkcja β i oddzielenie 10 nm od powierzchni mikroprocesora dwubiegunowego. (Linie stałe) wyniki przedstawiono dla energii zakotwiczenia powierzchniowego 64,5 µN/M (pomarańczowy), 6,2 µN/M (niebieski) i 0,6 µN / m (złoty). Odpowiednia stała Hamakera efektywnego dla energii oddziaływań obliczona zgodnie z Eq. 1 (linie przerywane) dla energii zakotwiczenia powierzchniowego 64,5 µN/M (Czerwony), 6,2 µN/m (cyjan) i 0,6 µN/M (czarny) jest również pokazany., (F) wstawka: Ilustracja zamawiania LC w pobliżu koloidu sondy i kąta, α, między koloidem sondy a lokalnym dyrektorem LC.
aby zapewnić wgląd w wyniki pokazane na Rys. 3, D i E, scharakteryzowaliśmy średnią orientację LC w pobliżu koloidu sondy (aeff; lokalna wartość α jest określona we wstawce rys. 3F) dla różnych energii zakotwiczenia powierzchni (rys. 3F). Kontrola rys., 3F ujawnia, że dla mocnego (stała pomarańczowa linia), pośredniego (stała Niebieska linia) i słabego (stała złota linia) stycznego zakotwiczenia LC na powierzchni mikrocząstki, aeff zbliża się do 0°, gdy koloid sondy zbliża się do każdej wady powierzchni dwubiegunowego mikrocząstki (β = 0°), co wskazuje, że zwykły (minimalny) współczynnik załamania LC dominuje w oddziaływaniach van der Waalsa w regionach polarnych., Natomiast w pobliżu równikowych obszarów mikrocząstki aeff zbliża się do 90°, co wskazuje, że interakcje van der Waalsa w pobliżu równika odzwierciedlają średnią zwykłych i nadzwyczajnych współczynników załamania światła LC. Jakościowo, wyższy efektywny współczynnik refrakcji i odpowiednio silniejsze interakcje van der Waalsa, doświadczane przez koloidy sondy w regionie równikowym mikrocząstki dwubiegunowej, są zgodne z naszymi eksperymentalnymi obserwacjami wyższej gęstości koloidów sondy adsorbowanej w pobliżu równika (rys. 1G)., Rysunek 3F ujawnia również, że zmiana funkcji odpowiedzi dielektrycznej doświadczanej przez koloid sondy w pobliżu mikroprocesora bipolarnego jest silną funkcją zakotwiczenia energii, ze słabym stycznym zakotwiczeniem powierzchni zapewniającym bardziej stopniową zmianę lokalnej stałej Hamakera w całej powierzchni mikroprocesora bipolarnego niż silne styczne zakotwiczenie powierzchni. Odkryliśmy również, że energie oddziaływań van der Waalsa obliczone na podstawie Eq. 1 zostały dobrze przybliżone za pomocą obliczeń opartych na orientacji nicieni LC na powierzchni mikropęcherzyków dwubiegunowych (rys., 3, D i E), zgodnie z naszą obserwacją, że interakcje van der Waalsa są szczególnie wrażliwe na energię zakotwiczenia powierzchni, a tym samym orientację powierzchni LC (patrz poniżej).
następnie oceniliśmy energię oddziaływania netto, φnet, pomiędzy koloidem sondy a polimeryzowanym mikropęcherzykiem bipolarnym jako sumę atrakcyjnych oddziaływań van der Waalsa i odpychających elektrycznych oddziaływań dwuwarstwowych (1). Obliczyliśmy elektryczne oddziaływanie dwuwarstwowe, wykorzystując teorie continuum o stałej i jednolitej gęstości ładunku powierzchniowego przy nieskończonych rozłączeniach (25, 26)., Te teorie, które zakładają parami addytywność składowych objętości skondensowanych faz, załamują się dla koloidów o rozmiarach dziesiątek nanometrów (27), ale są ogólnie uznane za dobre przybliżenia dla mikrocząstek. Interpretujemy adsorbowane lokalizacje koloidów obserwowane w naszych eksperymentach z 10 mM wodnym NaCl, aby wynikały z pierwotnych zdarzeń agregacji między koloidami sondy a polimeryzowanymi mikrocząstkami LC. Przy zastosowaniu energii zakotwiczenia w = 6.,2 µN/m, odkryliśmy, że wartości φnet obliczone na podstawie potencjałów powierzchniowych przy nieskończonej separacji -50 mV przewidywały obecność tego podstawowego minimum z 10 mM solą, ale jej brak w czystej wodzie (rys. 4, A i B). Ta wartość potencjału powierzchni przy nieskończonej separacji jest również w dobrej zgodzie z mierzonymi potencjałami zeta (patrz wyżej; dodatkowe szczegóły podano w materiałach uzupełniających).
(A i B) energia oddziaływania netto, φnet (W = 6.,2 µN/m), obliczona jako funkcja separacji powierzchniowo-powierzchniowej między koloidem sondy a polimeryzowanym mikrocząsteczkiem bipolarnym (a) w obecności wodnego 10 mM NaCl (Długość przesiewania Debye ' a = 3,04 nm) oraz (B) W przypadku braku dodanych soli. Przy braku soli zmierzyliśmy Rezystywność wody na poziomie 0,056 µS / cm w temperaturze 25 ° c, z której obliczyliśmy długość przesiewania Debye ' a na 458 nm (co odpowiada elektrolitowi 1:1 w stężeniu 440 nM). Pomarańczowy odpowiada koloidowi sondy w pobliżu równika mikrocząstki dwubiegunowej; niebieski reprezentuje podejście w pobliżu biegunów., C) strumień koloidów sondy na powierzchnie mikrocząstek bipolarnych, obliczony przy użyciu równania równania. 2 z potencjałami powierzchniowymi -50 mV i wskazanymi energiami zakotwiczenia dla różnych kątów padania.
jak wspomniano powyżej, nasze eksperymentalne obserwacje przestrzennego wzorca koloidów sondy na powierzchniach mikrocząstek LC są zgodne z procesem kontrolowanym kinetycznie (28, 29)., W związku z tym zastosowaliśmy φnet do oceny strumienia cząstek JC koloidów sondy na powierzchnię każdego mikrocząstki asJC=FC1+r2r1∫(1+r2r1)∞D12∞D12(ρ)exp(ρnet(ρ)KBT)dpp2(2), gdzie FC jest strumieniem koloidów sondy w przypadku braku oddziaływań międzycząsteczkowych (van der Waalsa i elektrycznej warstwy podwójnej) lub hydrodynamicznych między koloidami sondy (promień, r1) a mikrocząsteczkami (promień, r1). promień, R2), a φnet jest skalowany przez energię cieplną, KBT, przy bezwymiarowej separacji centrum-centrum, ρ (skalowany przez R1)., Oddziaływania hydrodynamiczne między koloidem sondy i mikrocząsteczkami zostały włączone przez obliczenie zmian względnych szybkości dyfuzji, D12∞/D12, jako funkcji bezwymiarowego oddzielania (patrz Materiały uzupełniające). Rysunek 4C pokazuje, że strumienie koloidów sondy, obliczone dla potencjału powierzchni mikrocząstek przy nieskończonej separacji -50 mV i zakresie stycznych energii zakotwiczenia powierzchni, są najwyższe w równikowych regionach mikrocząstek, a zmienność przestrzenna strumienia koloidów sondy jest największa dla W = 6,2 µN/m.,
następnie zintegrowaliśmy topniki koloidalne sondy na Rys. 4C na powierzchniowych obszarach mikrocząstek określonych na Rys. 1F, dla potencjałów powierzchniowych przy nieskończonej separacji -50 mV i mocnego (64,5 µN/m), pośredniego (6,2 µN/m) i słabego (0,6 µN/m) stycznego kotwienia powierzchniowego LC (patrz materiały dodatkowe, aby uzyskać wyniki tego procesu zastosowane do kotwienia pośredniego). Kontrola rys. 1G ujawnia nasze prognozy oparte na mocnym zakotwiczeniu powierzchni, aby uzyskać prawie jednolitą gęstość powierzchni koloidów sondy, w przeciwieństwie do naszych eksperymentów., Jednak nasze przewidywania dotyczące przestrzennej zmiany gęstości adsorpcji koloidalnej sondy na powierzchniach mikrocząstek z pośrednim stycznym zakotwiczeniem powierzchni dają ścisłą zgodność (w 95% przedziałach ufności) z eksperymentem (rys. 1G). W szczególności, równikowy region powierzchni mikrocząstek bipolarnych jest ozdobiony gęstością koloidów sondy, która jest w przybliżeniu dwukrotnie większa niż regiony polarne. Ponadto czworokątna symetria rozkładu koloidów sondy adsorbowanej jest spójna między eksperymentem a obliczeniami.,
aby zapewnić dodatkowy test naszej hipotezy, że interakcje van der Waalsa mogą być kodowane przez wewnętrzne konfiguracje mikrocząstek LC, przygotowaliśmy mikrocząstki LC o symetrii Dipolarnej. Profil reżyserski kropelki LC zastosowanej w tych eksperymentach (tzw. przypinana konfiguracja preradialna) charakteryzował się lokalnym homeotropowym wyrównaniem powierzchni LC i przypinaną wadą powierzchni. Konfiguracja ta została osiągnięta przez adsorbowanie koloidu PS na powierzchni mikrodropletów LC przed dodaniem SDS do fazy wodnej (końcowe stężenie 2 mM; rys. 5, od A do D)., Po polimeryzacji zrośnięte mikrocząstki zostały dokładnie przepłukane czystą wodą w celu usunięcia SDS z powierzchni mikrocząstek. Pomiary potencjału Zeta tych mikrocząstek dały wartości podobne do polimeryzowanych bipolarnych mikrocząstek LC(patrz wyżej). Zauważamy, że koloid sondy używany do przypięcia wad powierzchniowych fotoelementów podczas polimeryzacji, a tym samym nie wpływa na statystyki adsorpcji koloidów sondy. Kontrola rys., 5E ujawnia, że przypięte mikrocząstki kodują również interakcje van der Waalsa, które prowadzą do nieuniformowego rozkładu gęstości koloidów adsorbowanej sondy. W szczególności, w pobliżu defektu powierzchni, obserwujemy zwiększenie gęstości adsorbowanego koloidu, które leży poza 95% przedziałem ufności. Gdzie indziej mierzony jest równomierny rozkład gęstości koloidów (w granicach 95% ufności).
przedstawiciel (A) jasnego pola i (B) spolaryzowanych mikrocząstek światła (strzałki dwugłowe pokazują orientację polaryzatorów) spolaryzowanego mikrocząsteczki. C) Ilustracja wewnętrznej kolejności mikrocząstek w lit. A) i B). D) układ współrzędnych używany do scharakteryzowania położenia koloidów adsorbowanych na powierzchniach polimeryzowanych mikrocząstek. (E) pręty: znormalizowane gęstości powierzchniowe koloidów sondy PS zmierzone w celu adsorbowania na powierzchniach polimeryzowanych mikrocząstek., Dane dotyczące mikrocząstek zostały obliczone z 46 niezależnych eksperymentów z 121 polimeryzowanymi mikrocząstkami LC i 493 koloidami z adsorbowanych sond. Paski błędów są 95% przedziałami ufności na średnich dla mikrocząstek 121 LC. Trójkąty: obliczona gęstość koloidów na mikropęcherzykach, oceniana przy użyciu silnej homeotropowej siły zakotwiczenia. Strzałki jednogłowe na mikroskop wskazują lokalizacje wad powierzchniowych. Listwy podziałkowe, 15 µm.,
w przypadku braku koloidu PS adsorbowanego na powierzchni kropli LC, zaobserwowano 2 mM SDS, aby spowodować, że krople LC przyjmują konfiguracje promieniowe. Interpretujemy ten wynik, aby wskazać, że orientacja LC na powierzchni przypiętych kropel przed polimeryzacją odpowiada silnemu zakotwiczeniu homeotropowemu. Porównaliśmy nasze wyniki eksperymentów z przypinanymi mikrocząstkami preradialnymi (rys., 5e) do gęstości adsorpcji koloidalnej obliczonej przy użyciu różnych energii zakotwiczenia powierzchniowego i potencjałów powierzchniowych przy nieskończonej separacji (patrz Materiały uzupełniające). Okazało się, że prognozy oparte na potencjałach powierzchniowych -50 mV i silnym zakotwiczeniu homeotropowym (W = 0,66 mN/m) były unikalne w dopasowaniu do naszych wyników eksperymentalnych (rys. 5E). Wysoka gęstość adsorpcji koloidalnej obserwowana w pobliżu defektu powierzchni jest spowodowana oddziaływaniami van der Waalsa generowanymi przez blisko styczną orientację LC tuż poniżej powierzchni mikrocząstek ., Symetria dipolarna przewidywanych i zmierzonych profili adsorpcji koloidów pokazanych na Rys. 5E kontrastuje z czworoboczną symetrią profili mierzonych za pomocą mikrocząstek dwubiegunowych, zapewniając dodatkowe wsparcie dla naszego wniosku, że manipulacja porządkiem LC w mikrocząstkach zapewnia wszechstronne środki do wzorcowania oddziaływań van der Waalsa na powierzchniach mikrocząstek.