Wetenschappers realiseren door licht aangedreven programmeerbare colloïdale zelfassemblage

Het team van prof. Peng Chenhui van de School of Physics, University of Science and Technology of China (USTC), realiseerde de collectieve overdracht en herconfigureerbare zelfassemblage van colloïdale deeltjes door de door licht aangedreven moleculaire motoren te combineren met liquid crystal (LC)-moleculen in de nematische fase waarvan de oriëntaties zijn geprogrammeerd met topologische patronen en disclinatienetwerken.

Het werk is gepubliceerd in Procedures van de National Academy of Sciences op 11 april. Door lichtbestraling veroorzaken de coöperatieve reorganisaties van nanomotoren een collectieve dynamiek van de disclinatienetwerken. De morfologieveranderingen van de disclinatielijnen worden gebruikt om de colloïdale assemblages te transporteren en opnieuw te configureren op translatie-, rotatie- en programmeerbare manieren. Dit werk opent de deur voor toekomstige toepassingen in micromachines en slimme materialen.

Nanomotoren in de natuur hebben wetenschappers geïnspireerd om synthetische moleculaire motoren te ontwerpen om de beweging van objecten op microschaal aan te drijven door middel van coöperatieve actie. Door licht aangedreven moleculaire motoren zijn gesynthetiseerd, maar het blijft een uitdaging om hun coöperatieve reorganisatie te gebruiken om het collectieve transport van colloïden te beheersen en de herconfiguratie van colloïdale assemblage te realiseren.

In dit werk worden topologische wervelingen ingeprent in de monolagen van azobenzeenmoleculen die verder interageren met nematische vloeibare kristallen (LC’s). De door licht aangedreven coöperatieve heroriëntaties van de azobenzeenmoleculen induceren de collectieve beweging van LC-moleculen en dus de spatiotemporele evoluties van de nematische disclinatienetwerken die worden bepaald door de gecontroleerde patronen van wervels. Continuum-simulaties geven fysiek inzicht in de morfologieverandering van de disclinatienetwerken.

Wanneer microcolloïden worden verspreid in het LC-medium, wordt het colloïdale samenstel niet alleen getransporteerd en opnieuw geconfigureerd door de collectieve verandering van de disclinatielijnen, maar ook gecontroleerd door het elastische energielandschap dat wordt gedefinieerd door de vooraf ontworpen oriëntatiepatronen. Het collectieve transport en de herconfiguratie van colloïdale assemblages kan ook worden geprogrammeerd door de bestraalde polarisatie te manipuleren. Dit werk biedt mogelijkheden om programmeerbare colloïdale machines en slimme composietmaterialen te ontwerpen.

In de studie legde het team ook uit hoe de vooraf ontworpen topologische defecten het bewegingsmechanisme van colloïdale deeltjes op de disclinatielijnen regelen, wat wordt bepaald door de elastische eigenschappen van de lokale vooraf ontworpen ontvouwende en buigende vervorming van vloeibare kristallen. Het fysieke mechanisme van deze door licht aangedreven programmeerbare colloïdale zelfassemblage ligt dus in de coöperatieve reorganisatie van de moleculaire machines op nanoschaal door licht, en de interactie van de moleculaire machines met de vloeibaar-kristalmoleculen wordt gebruikt om de verandering van de vloeistof op nanoschaal te regelen. kristal moleculaire oriëntatie.

Vanwege de geordende aard van de vloeibare kristalmoleculen over een groot bereik, wordt een verandering in de oriëntatie van de vloeibare kristalmoleculen op macroschaal aan het oppervlak veroorzaakt. Deze macroscopische verandering stimuleert verder de verandering van de microstructuur van vloeibaar kristal in het monster door middel van oppervlakteverankering, waardoor herconfiguratie op macroscopische schaal mogelijk wordt in de richting van disclinatienetwerken en colloïdale zelfassemblage.