Коллоидный кристалл - Colloidal crystal
Коллоидный кристалл представляет собой заказал массив коллоидных частиц и мелкозернистых материалов , аналогичных стандартным кристаллом , чьи повторяющиеся субъединицы атомы или молекулы. Естественный пример этого явления можно найти в драгоценном опале , где сферы кремнезема приобретают плотноупакованную локально-периодическую структуру при умеренном сжатии . Объемные свойства коллоидного кристалла зависят от состава, размера частиц, устройства упаковки и степени регулярности. Приложения включают фотонику , обработку материалов и изучение самосборки и фазовых переходов .
соответствует симметрии, известной по молекулярным или атомным кристаллам. Примечание . Коллоидные кристаллы могут образовываться в жидкой среде или при
сушке суспензии частиц.
Вступление
Коллоидный кристалл - это высокоупорядоченный массив частиц, который может формироваться на большом расстоянии (примерно до сантиметра). Такие массивы кажутся аналогичными своим атомным или молекулярным аналогам с учетом надлежащего масштабирования. Хороший естественный пример этого явления можно найти в драгоценном опале , где блестящие области чистого спектрального цвета являются результатом плотноупакованных доменов коллоидных сфер аморфного диоксида кремния SiO 2 (см. Иллюстрацию выше). Сферические частицы осаждаются в высококремнистых лужах и образуют высокоупорядоченные массивы после многих лет осаждения и сжатия под действием гидростатических и гравитационных сил. Периодические массивы сферических частиц образуют аналогичные массивы межузельных пустот, которые действуют как естественная дифракционная решетка для световых волн в фотонных кристаллах , особенно когда межузельный интервал имеет тот же порядок величины, что и падающая световая волна.
Происхождение
Происхождение коллоидных кристаллов восходит к механическим свойствам золей бентонита и оптическим свойствам слоев Шиллера в золях оксида железа . Предполагается, что эти свойства связаны с упорядочением монодисперсных неорганических частиц. Монодисперсные коллоиды , способные образовывать дальние упорядоченные массивы, существующие в природе. Открытие У. М. Стэнли кристаллических форм вирусов табака и томатов является тому примером. Используя методы дифракции рентгеновских лучей , впоследствии было определено, что при концентрировании центрифугированием из разбавленных водных суспензий эти вирусные частицы часто организовывались в высокоупорядоченные массивы.
Палочковидные частицы в вирусе табачной мозаики могли образовывать двумерную треугольную решетку , в то время как объемно-центрированная кубическая структура была сформирована из почти сферических частиц в томатном вирусе Bushy Stunt Virus. В 1957 году в журнале Nature было опубликовано письмо с описанием открытия « Кристаллизующегося вируса насекомых » . Известное как вирус Tipula Переливающегося, как из квадратных и треугольных матриц , возникающих на гранях, авторы вывели кубические гранецентрированные плотную упаковку из вирусных частиц. Этот тип упорядоченного массива также наблюдается в клеточных суспензиях, где симметрия хорошо приспособлена к режиму воспроизводства в организме . Ограниченное содержание генетического материала накладывает ограничение на размер кодируемого им белка . Использование большого количества одних и тех же белков для создания защитной оболочки согласуется с ограниченной длиной содержания РНК или ДНК .
В течение многих лет было известно, что из-за отталкивающих кулоновских взаимодействий электрически заряженные макромолекулы в водной среде могут демонстрировать дальнодействующие кристаллические корреляции, при этом расстояния между частицами часто значительно превышают диаметр отдельных частиц. Во всех случаях в природе одна и та же радужность вызвана дифракцией и конструктивной интерференцией видимых световых волн, что подпадает под закон Брэгга .
Из-за редкости и патологических свойств ни опал, ни какие-либо органические вирусы не пользовались большой популярностью в научных лабораториях. Ряд экспериментов по изучению физики и химии этих «коллоидных кристаллов» возник в результате применения простых методов, разработанных за 20 лет для получения синтетических монодисперсных коллоидов, как полимерных, так и минеральных, а также с помощью различных механизмов реализации и сохранения формирование их дальнего порядка.
Тенденции
Коллоидные кристаллы привлекают повышенное внимание, в основном из-за их механизмов упорядочения и самосборки , кооперативного движения, структур, подобных тем, которые наблюдаются в конденсированных средах как жидкостей, так и твердых тел, а также структурных фазовых переходов . Фазовое равновесие было рассмотрено в контексте их физического сходство с соответствующим масштабированием , чтобы упругие твердые тела. Наблюдения за расстоянием между частицами показали уменьшение при упорядочении. Это привело к переоценке убеждений Ленгмюра о существовании дальнодействующего компонента притяжения в межчастичном потенциале .
Коллоидные кристаллы нашли применение в оптике в качестве фотонных кристаллов . Фотоника - это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов (пакетов света), особенно в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне , но также распространяется на ультрафиолетовую , инфракрасную и дальнюю инфракрасную части электромагнитного спектра . Наука фотоники включает в себя излучение , передачу , усиление, обнаружение, модуляцию и переключение световых волн в широком диапазоне частот и длин волн . Фотонные устройства включают в себя электрооптические компоненты, такие как лазеры (усиление света за счет вынужденного излучения излучения ) и оптическое волокно . Приложения включают телекоммуникации , обработку информации, освещение, спектроскопию , голографию , медицину ( хирургия , коррекция зрения, эндоскопия ), военные (управляемые ракеты ) технологии , сельское хозяйство и робототехнику .
Поликристаллические коллоидные структуры были определены как основные элементы субмикрометрового коллоидного материаловедения . Самосборка молекул наблюдалась в различных биологических системах и лежит в основе формирования самых разнообразных сложных биологических структур. Сюда входит новый класс механически превосходных биоматериалов, основанный на особенностях микроструктуры и конструкции, встречающихся в природе.
Основные механические характеристики и структуры биологической керамики, полимерных композитов , эластомеров и ячеистых материалов подвергаются переоценке с акцентом на биоинспирированные материалы и структуры. Традиционные подходы сосредоточены на методах создания биологических материалов с использованием обычных синтетических материалов. Определены области применения в синтезе биовдыхаемых материалов посредством процессов, характерных для биологических систем в природе. Это включает в себя самосборку компонентов в наномасштабе и развитие иерархических структур.
Объемные кристаллы
Агрегирование
Агрегация в коллоидных дисперсиях (или стабильных суспензиях) характеризуется степенью притяжения между частицами. Для притяжения, сильного по сравнению с тепловой энергией (определяемой kT), броуновское движение создает необратимо флокулированные структуры со скоростью роста, ограниченной скоростью диффузии частиц . Это приводит к описанию с использованием таких параметров, как степень ветвления, ветвления или фрактальной размерности . Модель обратимого роста была построена путем модификации модели кластер-кластерной агрегации с конечной энергией притяжения между частицами.
В системах, где силы притяжения до некоторой степени ограничены, баланс сил приводит к равновесному разделению фаз , то есть частицы сосуществуют с равным химическим потенциалом в двух различных структурных фазах. О роли упорядоченной фазы как упругого коллоидного твердого тела свидетельствует упругая (или обратимая) деформация под действием силы тяжести. Эта деформация может быть определена количественно с помощью искажения от параметра решетки , или расстояния между частицами.
Вязкоупругость
Периодические упорядоченные решетки ведут себя как линейные вязкоупругие твердые тела при механических деформациях небольшой амплитуды . Группа Окано экспериментально коррелировала модуль сдвига с частотой стоячих мод сдвига, используя методы механического резонанса в ультразвуковом диапазоне (от 40 до 70 кГц). В колебательных экспериментах на более низких частотах (<40 Гц) наблюдались основная мода колебаний, а также несколько частичных обертонов (или гармоник ) более высоких частот . В структурном отношении большинство систем демонстрируют явную неустойчивость к образованию периодических доменов относительно ближнего порядка. Выше критической амплитуды колебаний пластическая деформация является основным способом структурной перестройки.
Фазовые переходы
Равновесные фазовые переходы (например, порядок / беспорядок), уравнение состояния и кинетика коллоидной кристаллизации активно изучаются, что привело к разработке нескольких методов управления самосборкой коллоидных частиц. Примеры включают коллоидную эпитаксию и космические методы пониженной гравитации, а также использование градиентов температуры для определения градиента плотности. Это несколько нелогично, поскольку температура не играет роли в определении фазовой диаграммы твердых сфер . Однако монокристаллы твердых сфер (размер 3 мм) были получены из образца в режиме концентрации, который оставался бы в жидком состоянии в отсутствие градиента температуры.
Фононная дисперсия
На одном коллоидном кристалле была исследована фононная дисперсия нормальных мод колебаний с помощью фотонной корреляционной спектроскопии или динамического рассеяния света . Этот метод основан на релаксации или затухании флуктуаций концентрации (или плотности). Они часто связаны с продольными модами в акустической диапазоне. Заметное увеличение скорости звуковой волны (и, следовательно, модуля упругости ) в 2,5 раза наблюдалось при структурном переходе от коллоидной жидкости к коллоидному твердому телу или точке упорядочения.
Линии Косселя
При использовании одиночного объемно-центрированного кубического коллоидного кристалла появление линий Косселя на дифрактограммах использовалось для отслеживания начального зародышеобразования, а последующее движение вызвало искажение кристалла. Непрерывные или однородные деформации, происходящие за пределом упругости, создают «текучий кристалл», где плотность центров зародышеобразования значительно увеличивается с увеличением концентрации частиц. Динамика решетки исследовалась как для продольных, так и для поперечных мод . Тот же метод был использован для оценки процесса кристаллизации у края стеклянной трубки. Бывший можно считать аналогом гомогенной нуклеации событий в то время как последний будет ясно рассматриваться как гетерогенный событие нуклеации, будучи катализируемой по поверхности стеклянной трубки.
Темпы роста
Малоугловое рассеяние лазерного света дало информацию о пространственных флуктуациях плотности или форме растущих кристаллических зерен. Кроме того, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия использовалась для наблюдения за ростом кристаллов вблизи поверхности стекла. Электрооптические поперечные волны индуцируются импульсом переменного тока и контролируются с помощью спектроскопии отражения, а также рассеяния света. Кинетика коллоидной кристаллизации была измерена количественно, причем скорость зародышеобразования зависела от концентрации суспензии. Аналогичным образом было показано, что скорость роста кристаллов линейно уменьшается с увеличением обратной концентрации.
Микрогравитация
Эксперименты, проведенные в условиях микрогравитации на космическом корабле "Колумбия", предполагают, что типичная гранецентрированная кубическая структура может быть вызвана гравитационными напряжениями. Кристаллы, как правило, демонстрируют только ГПУ-структуру ( случайное наложение гексагонально плотно упакованных кристаллических плоскостей ), в отличие от смеси (ГПУ) и гранецентрированной кубической упаковки, когда дается достаточно времени для достижения механического равновесия под действием гравитационных сил на Земле . Стекловидные (неупорядоченные или аморфные ) коллоидные образцы полностью кристаллизовались в условиях микрогравитации менее чем за две недели.
Тонкие пленки
Двумерные ( тонкопленочные ) полуупорядоченные решетки исследованы с помощью оптического микроскопа , а также собраны на поверхности электродов . Цифровая видеомикроскопия выявила наличие равновесной гексатической фазы, а также фазовый переход первого рода из жидкости в гексатик и из гексатика в твердое тело. Эти наблюдения согласуются с объяснением, что плавление могло происходить за счет развязывания пар решеточных дислокаций .
Дальний заказ
Дальний порядок наблюдался в тонких пленках коллоидных жидкостей под маслом - при этом граненый край возникающего монокристалла совмещен с картиной диффузных полос в жидкой фазе. Структурные дефекты непосредственно наблюдались в упорядоченной твердой фазе, а также на границе твердой и жидкой фаз. Подвижные дефекты решетки наблюдались посредством брэгговских отражений из-за модуляции световых волн в поле деформации дефекта и накопленной в нем энергии упругой деформации.
Подвижные дефекты решетки
Все эксперименты привели по крайней мере к одному общему выводу: коллоидные кристаллы действительно могут имитировать свои атомные аналоги в соответствующих масштабах длины (пространственного) и времени (временного). Сообщалось, что в тонких пленках коллоидных кристаллов под маслом с помощью простого оптического микроскопа в мгновение ока мелькают дефекты . Но количественное измерение скорости его распространения представляет собой совершенно другую задачу, которая измеряется примерно со скоростью звука .
Несферические кристаллы на основе коллоидов
Кристаллические тонкие пленки из несферических коллоидов были получены с использованием методов конвективной сборки. Коллоидные формы включали гантели, полусферы, диски и сфероцилиндры. Могут быть получены как чисто кристаллические, так и пластичные кристаллические фазы, в зависимости от соотношения размеров коллоидной частицы. Низкое соотношение сторон, такое как выпуклость, глазное яблоко и несферические коллоиды, похожие на снеговиков, которые спонтанно самоорганизуются в массив фотонных кристаллов с высокой однородностью. Частицы кристаллизовались как в виде двухмерных (т.е. монослойных), так и трехмерных (т.е. многослойных) структур. Наблюдаемые ориентации решетки и частиц экспериментально подтвердили ряд теоретических работ по конденсированным фазам несферических объектов. Сборку кристаллов из несферических коллоидов можно также направить с помощью электрических полей.
Приложения
Фотоника
Технологически коллоидные кристаллы нашли применение в мире оптики в качестве материалов с фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ) (или фотонных кристаллов ). Синтетические опалы, а также формы инверсных опалов образуются либо естественным осаждением, либо приложенными силами, и оба достигают аналогичных результатов: упорядоченные структуры с дальним радиусом действия, которые обеспечивают естественную дифракционную решетку для световых волн с длиной волны, сравнимой с размером частиц.
Новые PBG материалы формируются из opal- полупроводника - полимерных композитов , как правило , с использованием упорядоченной решетки , чтобы создать упорядоченный массив отверстий (или пор) , который оставил позади после удаления или разложения исходных частиц. Остаточные полые сотовые структуры обеспечивают относительный показатель преломления (отношение матрицы к воздуху), достаточный для селективных фильтров . Жидкости с переменным показателем преломления или жидкие кристаллы, вводимые в сеть, изменяют соотношение и ширину запрещенной зоны.
Такие частотно-чувствительные устройства могут быть идеальными для оптического переключения и частотно-избирательных фильтров в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной частях спектра, а также для антенн с более высокой эффективностью на частотах микроволновых и миллиметровых волн.
Самостоятельная сборка
Самосборка - это наиболее распространенный термин, используемый в современном научном сообществе для описания спонтанной агрегации частиц (атомов, молекул, коллоидов , мицелл и т. Д.) Без влияния каких-либо внешних сил. Известно, что большие группы таких частиц собираются в термодинамически стабильные, структурно четко определенные массивы, весьма напоминающие одну из 7 кристаллических систем, используемых в металлургии и минералогии (например, гранецентрированная кубическая, объемноцентрированная кубическая и т. Д.). Принципиальное различие в равновесной структуре заключается в пространственном масштабе элементарной ячейки (или параметре решетки) в каждом конкретном случае.
Самосборка молекул широко распространена в биологических системах и составляет основу множества сложных биологических структур. Это включает в себя новый класс механически превосходных биоматериалов, основанных на микроструктурных особенностях и конструкциях, встречающихся в природе. Таким образом, самосборка также становится новой стратегией в химическом синтезе и нанотехнологиях. Молекулярные кристаллы, жидкие кристаллы, коллоиды, мицеллы, эмульсии , полимеры с фазовым разделением, тонкие пленки и самоорганизованные монослои представляют собой примеры типов высокоупорядоченных структур, которые получают с использованием этих методов. Отличительная черта этих методов - самоорганизация.
Смотрите также
Рекомендации
дальнейшее чтение
- MW Barsoum, Основы керамики , McGraw-Hill Co., Inc., 1997, ISBN 978-0-07-005521-6 .
- У. Д. Каллистер, младший, Материаловедение и инженерия: Введение , 7-е изд., John Wiley & Sons, Inc., 2006, ISBN 978-0-471-73696-7 .
- WD Kingery, HK Bowen и DR Uhlmann, Introduction to Ceramics , John Wiley & Sons, Inc., 1976, ISBN 0-471-47860-1 .
- М. Н. Рахаман, Обработка керамики и спекание , 2-е изд., Marcel Dekker Inc., 2003, ISBN 0-8247-0988-8 .
- Дж. С. Рид, Введение в принципы обработки керамики , John Wiley & Sons, Inc., 1988, ISBN 0-471-84554-X .
- Д.У. Ричерсон, Современная керамическая инженерия , 2-е изд., Marcel Dekker Inc., 1992, ISBN 0-8247-8634-3 .
- У. Ф. Смит, Принципы материаловедения и инженерии , 3-е изд., McGraw-Hill, Inc., 1996, ISBN 978-0-07-059241-4 .
- Вахтман, Джон Б. (1996). Механические свойства керамики . Нью-Йорк: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 978-0-471-13316-2.
- Л. Х. Ванвлак, Физическая керамика для инженеров , Addison-Wesley Publishing Co., Inc., 1964, ISBN 0-201-08068-0 .
- Коллоидные дисперсии , Russel, WB, et al., Eds., Cambridge Univ. Пресса (1989)
- Золь-гель-наука: физика и химия золь-гелевой обработки Джеффри Бринкером и Джорджем Шерером, Academic Press (1990)
- Золь-гелевые материалы: химия и применение Джона Д. Райта, Нико А. Дж. М. Соммердейка
- Золь-гель технологии для производителей и потребителей стекла Мишель А. Эгертер и М. Менниг
- Золь-гель оптика: обработка и применение , Лиза Кляйн, Springer Verlag (1994)