Dans les articles précédents, Des physiciens de l'Université de Pennsylvanie ont étudié "l'effet anneau de café, " la tache en forme d'anneau de particules laissée après l'évaporation des gouttes de café. Dans un papier, ils ont appris à annuler cet effet en modifiant la forme des particules. Maintenant, dans un nouvel article publié dans Communication Nature , ils ont découvert le comportement complexe et remarquablement différent d'une goutte de cristal liquide en train de sécher.

La recherche, réalisée en collaboration avec des scientifiques de l'Université Lehigh et du Swarthmore College, révèle de nouvelles caractéristiques de comportement des cristaux liquides, fluides avec des phases alignées de molécules constitutives. La formation de différentes phases pendant le séchage conduit à un mouvement de fluide et à un dépôt solide radicalement différents et fournit également des informations nécessaires pour le contrôle des solutions de séchage de macromolécules présentes dans de nombreux colorants et formulations pharmaceutiques.

Ancien élève de Penn Zoey Davidson, maintenant post-doctorant au Max Planck Institute for Intelligent Systems en Allemagne, avait expérimenté avec Sunset Yellow, un colorant qui donne aux Doritos et aux boissons gazeuses à l'orange leurs couleurs vives, quand il a accidentellement renversé une partie du matériel.

"J'ai remarqué que le modèle de déversement laissé par la goutte était en quelque sorte similaire aux modèles de café que nous avions étudiés auparavant, mais il y avait aussi des différences, " a déclaré Davidson. " Les gouttes de séchage avaient une structure intérieure macroscopiquement visible, trop."

Davidson, avec Arjun Yodh, directeur du Laboratoire de recherche sur la structure de la matière et professeur de sciences James M. Skinner au Département de physique et d'astronomie de la School of Arts &Sciences de Penn, et Peter Collings de Swarthmore, professeur adjoint à Penn, a alors décidé d'enquêter sur cela d'une manière plus contrôlée. Penn Professeur Randall Kamien, L'ancien élève de premier cycle Adam Gross et les post-doctorants Angel Martinez et Tim Still ont également contribué à l'étude. Le groupe a collaboré avec Chao Zhou de Lehigh et son doctorat. étudiant Yongyang Huang.

Contrairement aux particules dans une goutte de café, la goutte de cristal liquide qu'ils ont étudiée était une solution de molécules Sunset Yellow qui se combinent spontanément pour former des assemblages macromoléculaires en forme de bâtonnets, similaire à la façon dont les molécules en forme de bâtonnets forment les cristaux liquides utilisés dans les écrans LCD.

"Les cristaux liquides sont une phase de la matière, " Collings a dit, "tout comme le solide plus connu, phases liquide et gazeuse. Ce sont des fluides, c'est-à-dire qu'ils prennent la forme de leur contenant, mais contrairement aux liquides, il existe un certain ordre parmi les constituants qui composent la substance. Donc, bien que les constituants se diffusent un peu comme ce qui se passe dans les liquides, ils maintiennent un certain ordre d'orientation et parfois de position."

Alors que les cristaux liquides utilisés dans les écrans LCD, appelés cristaux liquides thermotropes, sont constitués de molécules sans rien d'autre ajouté, les cristaux liquides utilisés dans cette expérience étaient des cristaux liquides chromoniques. Les cristaux liquides chromoniques sont constitués d'assemblages de molécules dispersées dans de l'eau liquide.

Pendant le séchage, la concentration de jaune orangé variait au sein de la goutte, et les images au microscope ont révélé la formation de différentes phases fluides telles que le liquide isotrope (aléatoire), cristaux liquides nématiques (alignés) et cristaux liquides en colonnes (cylindriques) qui se séparent dans différentes régions de la goutte.

« Quand vous regardez la baisse au fil du temps, " Yodh dit, "ce n'est pas uniforme; il a beaucoup de structure."

La région centrale de la goutte était isotrope, et il était entouré par la phase nématique alignée. La limite entre les deux phases s'est déplacée vers le centre au fur et à mesure que la gouttelette séchait, et puis d'autres régions avec des structures différentes sont apparues, telles que les phases colonnaires et cristallines.

"C'est un saut qualitatif pour passer d'une baisse qui est une phase qui devient juste plus concentrée, " Yodh dit, "à une goutte qui peut se transformer en plusieurs phases différentes en fonction de la concentration. Les différentes phases se séparent et affectent la viscosité et la convection dans différentes régions de la goutte."

Ils ont remarqué une dynamique inhabituelle dans le processus de séchage, mais ont eu du mal à discerner ces processus avec de simples microscopies. Ainsi, ils se sont associés à Zhou et Huang pour utiliser la microscopie à cohérence optique pour suivre le flux à l'intérieur des gouttelettes. Le nouveau microscope a révélé des modèles d'écoulement circulaire, ou courants de Marangoni, circulant dans une direction opposée à celle observée dans d'autres solutions. Cette anomalie de circulation était due aux propriétés inhabituelles de tension superficielle du Sunset Yellow.

Parce que l'évaporation se produit le plus rapidement sur un bord extérieur dans une goutte de café en train de sécher, le matériau solide à l'intérieur de la goutte est transporté du centre de la goutte jusqu'au bord extérieur, apportant de plus en plus de grains de café.

"Ces grains de café s'accumulent au bord, " Collings a dit, "et après que la goutte ait complètement séché un joli, un anneau sombre de particules de café en résulte."

À la fin, le dépôt de la goutte de cristal liquide en train de sécher n'était pas semblable à un anneau ou uniforme.

"Dans de nombreux cas, " Collings a dit, « l'existence de phases de cristaux liquides augmente la viscosité et diminue la vitesse de déplacement du matériau, donc la forme finale ressemble à un volcan ou à un soufflé englouti."

Bien qu'il y ait eu d'autres études dans lesquelles plusieurs phases apparaissent dans les gouttes de séchage et d'évaporation, surtout près du bord tombant, c'est la première fois que des chercheurs étudient plusieurs phases de cristaux liquides et comprennent comment les effets viscoélastiques et d'autres propriétés des cristaux liquides affectent le modèle de dépôt de séchage final.

"Nous repoussons une frontière, " dit Yodh, « Nous savons que de nombreux systèmes peuvent avoir ces propriétés, et cette recherche est importante si vous voulez comprendre ce qu'ils vont faire."

De nombreuses technologies reposent sur le dépôt de matière de manière précise par évaporation d'un solvant. Étant donné que les phases de type cristal liquide sont courantes parmi les colorants et les produits pharmaceutiques, cette recherche pourrait avoir des applications potentielles sur toute la ligne.

"Il suffit de penser à l'impression jet d'encre, " Collings a dit, "pour réaliser un exemple extrêmement commun et utile. Si de tels processus impliquent des substances qui forment des phases de cristaux liquides, comme le font de nombreux colorants et médicaments, alors la compréhension acquise grâce à nos expériences sera importante pour obtenir les résultats souhaités. »

Mais une grande partie de l'importance de ce travail réside dans le domaine de la science fondamentale.

"Notre nouvelle compréhension de la façon dont les gouttelettes d'une autre classe de matériaux sèchent, " Collings a dit, « consolide certains concepts développés auparavant, mais étend également nos connaissances dans des domaines où le comportement est différent. »

Les chercheurs espèrent donner suite à certaines des observations intéressantes qu'ils ont faites sur les structures qui se forment à mesure que le matériau sèche.

"Les motifs de la matière qui se forment, " Yodh dit, "sont influencés à la fois par la thermodynamique d'équilibre traditionnelle et par la convection des fluides et de nouvelles structures avec de nouvelles topologies verrouillées se forment en conséquence."

Pouvoir contrôler ce phénomène serait une prochaine étape passionnante.

"C'est la chose amusante de regarder la peinture sécher, " a déclaré Davidson. " Il y a en fait toutes ces choses sympas qui se passent à l'intérieur de la goutte. "