Forma e relaxamento estrutural de tactóides coloidais

Oct 19, 2023

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 2778 (2022) Citar este artigo

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A fácil resposta geométrica-estrutural de colóides líquido-cristalino a campos externos permite muitos avanços tecnológicos. No entanto, os mecanismos de relaxamento para colóides líquido-cristalino sob contornos móveis ainda permanecem inexplorados. Aqui, combinando experimentos, simulações numéricas e teoria, descrevemos a forma e o relaxamento estrutural de microgotículas cristalinas líquidas coloidais, chamadas tactóides, onde fibrilas amiloides e nanocristais de celulose são usados ​​como sistemas modelo. Mostramos que a relaxação da forma dos tactóides carrega uma assinatura universal de decaimento exponencial único e derivamos uma expressão analítica para prever esse processo fora do equilíbrio, que é governado por contribuições anisotrópicas e isotrópicas do cristal líquido. A relaxação estrutural dos tactóides mostra caminhos fundamentalmente diferentes, com decaimentos exponenciais de primeira e segunda ordem, dependendo da existência de estruturas de orientação splay/bend/twist no estado fundamental. Nossas descobertas oferecem uma compreensão abrangente sobre os efeitos do confinamento dinâmico em sistemas coloidais cristalinos líquidos e podem definir direções inexploradas no desenvolvimento de novos materiais responsivos.

Cristais líquidos coloidais são uma classe de matéria mole formada quando nanopartículas de forma anisotrópica são dispersas em um fluido isotrópico1. Quando confinadas a um volume finito, as partículas coloidais semelhantes a bastões se auto-organizam em várias estruturas definidas por um delicado equilíbrio entre a viscoelástica anisotrópica e as propriedades de superfície2,3,4. O sutil equilíbrio entre essas contribuições resulta em fácil resposta a campos externos1,5 como mecânico, de fluxo, elétrico e magnético, dando origem a muitas oportunidades e aplicações tecnológicas. Os exemplos incluem monitores, modulador de luz espacial e filtros ajustáveis ​​em dispositivos médicos e óptica, biossensores de cristal líquido para diagnósticos rápidos e novos materiais funcionais, como músculos artificiais que exploram propriedades físicas anisotrópicas do cristalino líquido6,7,8. No entanto, a facilidade de resposta a campos externos (e perturbações) torna os cristais líquidos coloidais muito frágeis para serem estudados experimentalmente em condições dinâmicas5,9. Em particular, o relaxamento de gotículas de cristal líquido sob confinamento móvel ainda é pouco compreendido, apesar de sua importância central em uma variedade de fenômenos na física da matéria condensada. Isso inclui empacotamento de partículas10, automontagem11 e relaxamento de líquidos coloidais12 com implicações no campo nemático ativo, por exemplo, cristais líquidos vivos13, onde a compreensão da hidrodinâmica dos cristais líquidos é crítica14.

Gotículas líquidas cristalinas, conhecidas como tactóides, são um exemplo particularmente significativo de cristais líquidos coloidais, uma vez que consistem em colóides cristalinos líquidos microconfinados com uma forma/estrutura auto-selecionada decorrente dos fenômenos termodinamicamente conduzidos dos quais emergem, ou seja, , separação de fase espontânea líquido-líquido cristalino15,16,17,18,19,20,21,22,23. Em total contraste com as emulsões líquidas cristalinas esféricas, obtidas comumente pela emulsão de cristais líquidos em outro líquido imiscível (como água em óleo)24,25, os tactóides têm formas fusiformes, alongadas ou oblatas com diferentes estruturas internas nemático-colestéricas2,3, 4,15,16,17,18,19,20,21,22,26, como consequência do acoplamento entre a tensão interfacial extremamente pequena, a ancoragem da superfície na interface, a quiralidade dos colóides e as propriedades elásticas anisotrópicas3, 4. Estas características tornam os tactoides um sistema muito singular com propriedades viscoelásticas27,28,29 e de contorno3,4 peculiares, adicionando assim desafios teóricos aos experimentais ao descrever estes complexos sistemas coloidais sob condições dinâmicas. Por exemplo, experimentos recentes sugerem que o limite tem um impacto significativo na estrutura local de colóides30,31,32,33 e nas vias de equilíbrio do relaxamento estrutural de sistemas coloidais34; ainda tal compreensão vem principalmente do exame de sistemas coloidais com condições de contorno estáticas30,31,32,33,34,35. Além disso, um dos desafios do estudo atual é separar a taxa de automontagem dos tactóides cristalinos líquidos do relaxamento da forma, fornecendo informações sobre a cinética de sistemas coloidais complexos automontados.