Les cristaux liquides diffèrent des fluides isotropes (fluides ayant des propriétés similaires dans différentes directions) pour présenter des interactions hautement anisotropes (propriétés variables dans différentes directions) avec les surfaces. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Haridas Mundoor et une équipe de recherche interdisciplinaire dans les départements de physique et de recherche sur les matériaux mous, électrique, génie informatique et énergétique aux États-Unis, contrôlait l'alignement de surface des molécules nématiques (forts diffuseurs de lumière dus aux fluctuations thermiques dans les cristaux liquides). En contrôlant le contenu ionique, les scientifiques ont réglé les orientations de la forme anisotrope, particules semblables à des plaquettes. L'anisotrope résultant, les interactions élastiques et électrostatiques ont facilité les cristaux colloïdaux avec des symétries et des orientations reconfigurables. Ils ont exploité les effets d'alignement concurrents de la fonctionnalisation de la surface et du champ électrique résultant de la charge de surface expérimentale et des contre-ions en vrac au sein de la configuration.

Les cristaux liquides (LC) ont trouvé des applications allant des affichages lumineux aux capteurs biomédicaux, en raison de leurs interactions de surface anisotropes. De telles interactions de surface peuvent définir des conditions aux limites pour les molécules sur les surfaces des particules, permettant aux scientifiques de déterminer in fine les défauts et interactions induits lors des études fondamentales des colloïdes LC. Pour les particules de forme anisotrope, les assemblages colloïdaux et les phases qui dépendent fortement de ces conditions aux limites variaient d'orientations planes à inclinées et perpendiculaires. Pour déterminer les orientations de surface dans le champ directeur du LC, les scientifiques utilisent généralement la partie anisotrope de l'énergie libre de surface, connu comme « l'énergie d'ancrage ». Pour un LC donné, les chercheurs peuvent contrôler l'énergie d'ancrage par des modifications chimiques ou topographiques, techniques de frottement mécanique ou de photoalignement. Un contrôle limité sur l'ancrage en surface peut entraver l'utilisation des LC dans l'assemblage colloïdal et les applications techniques.

Dans le travail present, Mundoor et al. ont rapporté l'influence des ions sur les propriétés d'ancrage en surface et défini le comportement de colloïdes anisotropes dispersés dans un cristal liquide nématique. Les scientifiques ont contrôlé le contenu ionique dans le LC pour démontrer une variation systématique des conditions aux limites. Ils ont ensuite montré comment les orientations d'équilibre des particules colloïdales chargées étaient modifiées par rapport à la direction du champ lointain et ont démontré l'auto-assemblage qui s'ensuit de réseaux colloïdaux avec diverses symétries cristallographiques.

L'équipe de recherche a synthétisé le β-NaYF en forme de plaquette 4 :Yb/Er microcristaux en utilisant une méthode hydrothermale modifiée. Ils ont optimisé la synthèse chimique pour produire des plaquettes circulaires d'un diamètre moyen de 2 µm et d'une épaisseur de 20 nm, ce qu'ils ont confirmé par microscopie électronique à balayage (MEB). Lorsque les scientifiques ont excité les plaquettes à l'aide d'un laser infrarouge à 980 nm, les particules ont montré une conversion ascendante de luminescence. Les scientifiques ont ensuite traité chimiquement les particules pour le chargement de surface, revêtu de silice de 5 nm d'épaisseur et fonctionnalisé avec du méthoxy silane polyéthylène glycol.

L'équipe a dispersé les particules coiffées de silice dans des cristaux liquides de 4-cyano-4'-pentylbiphényl (5 CB) en les mélangeant avec une dispersion colloïdale diluée dans de l'éthanol, suivi d'une évaporation du solvant à 70 ⁰ C pendant 2 heures. Ils ont ensuite refroidi les particules jusqu'à la phase nématique sous agitation mécanique rapide. Mundoor et al. ont infiltré les dispersions colloïdales qui en ont résulté dans des cellules en verre de 30 µm d'épaisseur et les ont scellées avec une colle époxy à prise rapide. Ils ont favorisé les conditions aux limites planes en revêtant les surfaces internes des cellules de verre avec de l'alcool polyvinylique, suivi de l'étude de la dispersion et de l'alignement des particules au sein de la LC en utilisant la microscopie optique. Ils ont étudié les micrographies optiques polarisantes pour révéler les configurations des particules à différentes orientations ainsi que la réponse des plaquettes aux champs électriques et magnétiques dans les milieux LC et isotropes.

Les chercheurs ont ensuite formé une cellule expérimentale en utilisant deux substrats de verre avec des couches denses de plaquettes enduites par centrifugation sur leurs surfaces internes. En utilisant le montage expérimental, ils ont mesuré le retard de phase optique de ces cellules pour révéler une inclinaison de 49 degrés par rapport aux substrats, que l'équipe pourrait contrôler davantage via le dopage ionique dans le système. Les chercheurs ont contrôlé électrostatiquement les conditions limites sur les surfaces cellulaires confinées en les enduisant de plaquettes ou en utilisant des matériaux de substrat avec une charge de surface réglable.

La diffusion des particules dans le système dépendait de l'interaction des propriétés viscoélastiques anisotropes de la LC et de l'anisotropie de forme des particules orientées. Par exemple, les plaquettes avec des conditions aux limites perpendiculaires ou planes ont déformé le directeur du LC pour former des quadripôles élastiques noyés dans un fond uniforme. L'équipe de recherche a utilisé le suivi par microscopie vidéo de la position des plaquettes pour déterminer les coefficients de diffusion. Les chercheurs ont observé une anisotropie de diffusion plus forte pour les particules à ancrage perpendiculaire, où l'anisotropie de forme a influencé la diffusion des particules.

Le dopage avec des additions ioniques telles que NaCl a provoqué l'adsorption des contre-ions (qui maintiennent la neutralité électrique) sur les surfaces des particules, qui a efficacement réduit la charge de surface et la force du champ électrique (E DL ). En cas de dopage, les plaquettes se sont également réorientées progressivement avec le temps par rapport à leur alignement d'origine en raison de charges de surface changeantes. Par exemple, les plaquettes se reforment progressivement à partir d'orientations discrètes pendant plusieurs centaines de secondes, avant de passer à l'orientation suivante. Le mécanisme détaillé de l'adsorption des contre-ions au cours du processus reste à comprendre et à expliquer davantage via des études supplémentaires.

Mundoor et al. ont observé que les plaquettes formaient des assemblages cristallins à des concentrations élevées en raison d'interactions élastiques et inélastiques concurrentes. Les résultats ont montré le potentiel de concevoir des cristaux colloïdaux avec une cristallographie accordable par dopage ionique, où l'ajout de sel a modifié l'auto-assemblage. Les plaquettes avec une charge élevée (+300e) ont montré un ancrage homéotrope et ont formé un réseau rhombique. Lorsque la charge a diminué à +100e, ils ont adopté un ancrage ionique et une inclinaison pour s'assembler en un réseau oblique avec différents paramètres. Lorsque les plaquettes avec la charge la plus faible de +20e et l'ancrage planaire étaient alignées perpendiculairement aux substrats cellulaires, elles formaient un réseau rhombique. Mundoor et al. pourrait reconfigurer magnétiquement et électriquement les réseaux bidimensionnels (2-D) dans les plans cristallographiques parallèles aux substrats cellulaires pour produire divers cristaux 3-D. Ces cristaux 3-D peuvent être davantage alignés en ajustant les orientations des plaquettes et en faisant varier électrostatiquement l'espace entre les plans cristallographiques dans des travaux futurs.

De cette façon, Haridas Mundoor et ses collaborateurs ont contrôlé l'énergie libre d'ancrage et les conditions aux limites sur les particules colloïdales et les surfaces de confinement des cristaux liquides (LC) en ajustant les charges de surface et en modifiant la concentration de dopant ionique. Le travail leur a permis de contrôler l'alignement LC par rapport aux surfaces de confinement et de contrôler l'orientation des particules colloïdales anisotropes telles que les plaquettes, par rapport au fond de champ lointain uniforme. Les chercheurs visent à mener d'autres études sur la façon dont les défauts topologiques sur les surfaces des particules et dans la masse LC, pourrait médier l'absorption des contre-ions. Ils étudieront également comment des doubles couches électrostatiques non homogènes pourraient être générées à partir de la nature anisotrope des LC dans des travaux futurs.

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