Expériences

Ackroyd et al. ont déposé des suspensions mélangées sous forme de gouttelettes sur des lames de verre et les ont immédiatement placées dans une chambre humide. A l'aide d'un microscope optique polarisant (POM), ils ont formé des images des films de séchage avec différentes compositions de TA/CNC (acide tartrique/nanocristaux de cellulose). Les films formés en séchant la solution d'acide tartrique ont conservé une morphologie de sphérolite avec une structure en forme d'aiguille. A l'aide d'images de séchage TA/CNC, l'équipe a noté la formation d'anneaux commençant à partir d'un point de nucléation proche du centre du film à partir duquel périodique et a grandi radialement vers le bord du film. Ils ont ensuite caractérisé les motifs annulaires dans les films, où l'humidité relative croissante, augmenté la valeur de leur période. Pour comprendre la dynamique de croissance de la formation des anneaux périodiques, Ackroyd et al. ont enregistré l'évolution des patrons spatio-temporels d'évaporation de l'eau pour les films liquides. Ils ont étiqueté les CNC avec un colorant d'isothiocyanate de fluorescéine (FITC) lié de manière covalente, caractériser la composition des anneaux alternés dans le film composite. Sur la base des images POM (microscope optique polarisant), ils ont noté les bandes périodiques enrichies en CNC et privées de CNC dans le film composite.

Caractérisation du film composite.

Pour caractériser davantage les films composites, les scientifiques ont acquis des spectres sous transmission différentielle de lumière polarisée circulairement de sens opposé. En utilisant la microscopie électronique à balayage, ils ont obtenu des images de la coupe transversale du film des régions riches en CNC et en TA. Pour comprendre la topographie de la surface du film composite, ils ont utilisé la microscopie à force atomique. En utilisant des images POM à fort grossissement, Ackroyd et al. noted the TA-rich regions in yellow and light orange, while the CNC-rich regions appeared red and green in color. The team also conducted polarimetry imaging to map the variation in the polarization state of transmitted light. Pour y parvenir, they illuminated a film with a 532 nm linearly polarized light with a light polarization state set parallel to the vertical edge of the images. Based on both POM and polarimetry experiments, Ackroyd et al revealed the orientation order in TA-rich ring-banded regions relative to the chemical composition of the film. The structural features formed by CNCs and TA provided an interesting example of complex, out-of-equilibrium organization, of interest for future studies. To probe the TA/CNC films in the transmission mode, the scientists also used small-angle X-ray scattering, where an X-ray beam size of 220 x 50 µm allowed an entire film to be scanned for mapping with the technique.

Numerical model

The scientists then developed a kinetic model for the phase-separating TA/CNC suspension as applied generally to reaction-diffusion systems. They represented the dynamics of the periodic pattern formation with two types of building blocks using a set of differential equations. The numerical model factored six species of the drying TA/CNC suspension including the (1) dissolved TA, (2) the nuclei of precipitated TA, (3) the crystals of TA in the TA-rich phase and the (4) the suspended individual CNCs, (5) the TA-CNC clusters, and 6) the CNC-enriched phase. The numerical model qualitatively reproduced the experimental findings, and the model predicted a finite constant velocity of the moving front of the edge pattern.

Perspectives

De cette façon, Amanda J. Ackroyd and colleagues provided first evidence of a periodic ring-banded structure formed by two components with dimensions differing by several orders of magnitude. The results differed from ring patterns obtained by other phenomena including "coffee ring" patterns. The scientists noted the evaporation of water from the TA/CNC suspension to result in the saturation of CNCs and TA in the mixture. They controlled the morphology of the composite films by varying the composition of the TA/CNC suspension and relative humidity. Based on simulations, the team noted that the periodic ring patterns did not qualitatively change with increasing viscosity and therefore reduced the diffusion coefficients of the compounds. They highlighted distinct band structures for the CNC-enriched and TA-enriched ring-banded regions throughout the study. The work will expand the knowledge of self-organizing reaction-diffusion systems and provide strategies to design self-organizing materials.

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