Точные коллоиды с настраиваемыми взаимодействиями для конфокальной микроскопии

Oct 07, 2023

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14635 (2015) Цитировать эту статью

3881 Доступов

36 цитат

Подробности о метриках

Эта статья обновлена

Модельные коллоидные системы, изученные с помощью конфокальной микроскопии, привели к многочисленным открытиям в физике конденсированного состояния. Хотя конфокальная микроскопия является чрезвычайно мощным инструментом, она требует тщательного выбора и подготовки коллоида. Неконтролируемые или неизвестные изменения размера, плотности и состава отдельных частиц, а также взаимодействия между частицами, часто зависящие от синтетического пути их образования, приводят к трудностям в интерпретации поведения дисперсии. Здесь мы описываем простой синтез частиц сополимера, которые могут быть согласованы по показателю преломления и плотности одновременно с непластифицирующей смесью растворителей с высокой диэлектрической проницаемостью. Взаимодействия между частицами точно настраиваются путем поверхностной прививки полимерных щеток с использованием радикальной полимеризации с переносом атома (ATRP): от твердосферического до электростатического отталкивания на большие расстояния или притяжения смешанного заряда. Мы также изменяем плавучую плотность частиц, изменяя соотношение сополимеров, сохраняя при этом их показатель преломления, соответствующий суспендирующему раствору, что приводит к хорошо контролируемому седиментированию. Возможность настройки межчастичных взаимодействий, низкая летучесть растворителей и возможность одновременного согласования показателя преломления и плотности частиц с жидкостью открывают новые возможности для изучения физики коллоидных систем.

Коллоидные системы используются для исследования физики конденсированного состояния в реальном времени и пространстве; наблюдения за поведением коллоидных частиц привели к беспрецедентному пониманию таких разнообразных явлений, как зарождение кристаллов1 и плавление2, транспорт дефектов3, образование стекла4,5, смачивание и капиллярные явления6, а также самосборка и специфическое связывание7. В отличие от своих атомных аналогов, структура, динамика и механические свойства этих дисперсий доступны с помощью оптической микроскопии и светорассеяния. Однако практические ограничения каждого из этих методов и дизайн отдельных экспериментов делают необходимым контроль физических свойств составляющих частиц. Оптическая микроскопия, раскрывающая структуру коллоидов в реальном пространстве, и рассеяние света, объясняющее структуру и динамику в обратном пространстве, полагаются на точный контроль размера и показателя преломления наблюдаемых частиц: поскольку выбор размера частиц влияет на Относительные масштабы времени и длины, доступные для эксперимента, а также тщательное согласование показателей преломления частиц и суспендирующей жидкости сводят к минимуму эффекты оптических аберраций и многократного рассеяния. Для изучения эволюции образцов в длительных временных масштабах важно, чтобы испарение растворителя было минимальным; это особенно важно во время реологических измерений, при которых суспензии подвергаются воздействию окружающей среды. Гравитационные напряжения, которые нельзя игнорировать для частиц микрометрового масштаба, приводят к градиентам плотности и седиментации, которые сильно влияют на свойства материала, такие как скорость зарождения кристаллов8. Эти вредные эффекты гравитации можно свести к минимуму, сопоставив плотность частиц с плотностью суспендирующей жидкости, что позволяет изучать равновесное объемное поведение. Тем не менее, хорошо контролируемое несоответствие плотности может быть желательным6,9,10, например, при нанесении шаблонов конкретных кристаллических структур на узорчатую поверхность11,12,13.

Помимо физических свойств отдельных частиц и окружающей жидкости, структура и динамика коллоидных суспензий также определяются силами, которые частицы оказывают друг на друга14,15,16. Простейшим взаимодействием между твердыми частицами является взаимодействие объема; в этом так называемом пределе твердых сфер предполагается, что частицы непроницаемы, а фазовое поведение определяется только объемной долей частиц. Две широко используемые экспериментальные системы, которые демонстрируют такой потенциал взаимодействия с твердыми сферами и могут быть согласованы по показателю преломления и плотности, представляют собой микросферы из полиметилметакрилата (ПММА), стабилизированные щеткой из диспергированной поли(гидроксистеариновой кислоты) (PHSA-PMMA). в смеси органических растворителей с низкой диэлектрической проницаемостью15,16 и стеарилированного кремнезема, диспергированного в галогенированных жидкостях17. Однако, несмотря на низкую полярность этих растворителей, следовые количества ионизируемых примесей, растворенных в этих маслах, могут заряжать поверхности частиц способами, которые трудно предсказать и контролировать16,18: запутывая в противном случае чисто твердосферные взаимодействия. Более того, наиболее часто используемая система твердых сфер, PHSA-PMMA, часто диспергируется в жидких смесях, в которых один или несколько ее компонентов набухают полимер, из которого состоят частицы, иногда на несколько десятков процентов. Можно ожидать, что это приведет к значительному снижению температуры стеклования, размягчению частиц и изменению их свойств с течением времени16. Наконец, хотя эта конкретная система оказалась неоценимой в качестве коллоидной модельной системы, ее синтез, как известно, трудно воспроизвести. Более сложные взаимодействия между частицами можно создать, добавляя в жидкость полимеры или поверхностно-активные вещества и модифицируя поверхности самих частиц. Ионизируемые фрагменты или полимерные щетки, привитые на поверхность коллоидных частиц, создают дополнительные параметры для управления фазовым поведением суспензии19,20,21,22. Например, суспензии одинаково заряженных коллоидов могут образовывать кристаллические фазы низкой плотности с симметрией, недоступной для твердых сфер19. Напротив, смеси коллоидных частиц с противоположными зарядами могут образовывать структурированные коллоидные гели21,23 и бинарные кристаллические сверхрешетки24,25. Синтез коллоидных частиц с контролируемыми потенциалами взаимодействия и предсказуемыми, но гибкими физическими свойствами, такими как поверхностный заряд, показатель преломления и плотность, остается сложной задачей.