Kinetischer Stillstand beim Trocknen von Cellulose-Nanokristallfilmen aus wässrigen Suspensionen analog zum Einfrieren thermischer Bewegungen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21042 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Um die Cellulosephotonik und ihre optoelektronischen Anwendungen voranzutreiben, ist ein umfassendes Verständnis der Steuerung des Schillerns von Cellulosefilmen durch Manipulation der Ausrichtung und Helixganghöhe von Cellulose-Nanokristallen (CNCs) erforderlich. Wässrige CNC-Suspensionen weisen eine cholesterische Flüssigkristallphase (LC) mit Strukturfarbe auf; Allerdings ist es äußerst schwierig, einen gleichmäßig gefärbten Film zu erhalten. Da mehrere miteinander verbundene Faktoren die CNC-Molekülausrichtung und die Helixsteigung beeinflussen, sind die vorhandenen Modelle vermutlich nicht unbedingt schlüssig und bleiben Gegenstand von Debatten. Um letztendlich homogen gefärbte Filme zu erhalten, vergleichen wir wässrige CNC-Suspensionen als lyotrope flüssige LC mit thermotropen und bestätigen spektroskopisch, dass die Färbung von CNC-Tröpfchen von der periodischen CNC-Struktur herrührt. Der Suspensionstrocknungsprozess beeinflusst maßgeblich die Qualität des Irisierens von CNC-Filmen. Durch schnelles Trocknen eines Tropfens einer CNC-Suspension entsteht ein konzentrischer Regenbogenfilm mit roten Rändern und einem blauen Zentrum, typisch für den Kaffeeringeffekt, der bei luftgetrockneten Filmen beobachtet wird. Im Gegensatz dazu sorgt eine langsame Trocknung unter kontrollierter Luftfeuchtigkeit, die den Kapillarfluss reduziert, für eine höhere Gleichmäßigkeit und eine große blaue Fläche. Durch orbitales Schütteln der Filme beim Trocknen bei hoher Luftfeuchtigkeit wird die Gleichmäßigkeit weiter verbessert. Daher hat die Verdampfungsrate einen erheblichen Einfluss auf die thermodynamisch stabilisierte Helixganghöhe von CNCs, die die Strukturfarbe bestimmt. Wir modellieren qualitativ den kinetischen Stillstand, der durch die schnelle Verdunstung lyotroper Flüssigkristalle hervorgerufen wird, auf eine Weise, die der durch die Temperaturänderungsrate in thermotropen Flüssigkristallen und anderen Materialien hervorgerufenen Weise entspricht.

Natürliche nanophotonische Strukturen können in der Natur beobachtet werden, beispielsweise die Färbung, die bei Lebewesen beobachtet wird1,2,3,4,5,6,7,8,9; Die Herstellung künstlicher Materialien wie Polymere, die natürlichen Strukturen entsprechen, bleibt jedoch eine Herausforderung im Hinblick auf die Kontrolle der Reihenfolge von Molekülen auf verschiedenen Skalen von nanoskopischen bis hin zu makroskopischen Längen10,11,12,13. Überraschenderweise können natürliche Prozesse in der Biologie eine empfindliche molekulare Ordnung und Unordnung über verschiedene Längenskalen hinweg bewirken. Die Herstellung biomimetischer Polymere unter Ausnutzung ihrer selbstorganisierenden Natur ist von großem Interesse, da die erfolgreiche Kontrolle der Wege der Selbstorganisation entscheidend für die Verwirklichung der skalierbaren Anordnung nano- und mikrostrukturierter Materialien mit den erwarteten optischen Eigenschaften ist.

Als funktionelle nanostrukturierte Materialien mit hohem Mehrwert bieten Cellulose-Nanokristalle (CNCs) verschiedene einzigartige Materialfunktionen, die uns dazu veranlasst haben, sie in einem breiten Anwendungsspektrum einzusetzen13,14,15,16,17. Einer der jüngsten Fortschritte bei optoelektronischen Anwendungen unter Verwendung von CNCs sind Zellulosepigmente18, die sogar zur Herstellung von Filmen aus CNCs mit großflächiger Anordnung19 verwendet wurden. Im Detail wurden selbstorganisierte CNCs zunächst in emulgierten Mikrotröpfchen eingeschlossen. Während des Trocknungsprozesses waren die Mikrotröpfchen dann wahrscheinlich mehreren Knickeffekten ausgesetzt, die auf die Verdunstung des Lösungsmittels und/oder thermische Nachbehandlungen zurückzuführen waren. Es wurde angenommen, dass die Farbe der Pigmentdispersionen durch den Grad der Kontraktion der Nanostrukturen in den Mikrotröpfchen während des Trocknens verursacht wird, und es wurde experimentell bestätigt, dass es sich bei der Färbung um eine Strukturfarbe handelt.

Im Allgemeinen handelt es sich bei CNCs um leichte, starre, nanostäbchenförmige Makromoleküle mit einer Länge von 100–200 nm und einer Breite von 5–15 nm, die aus Baumwolle oder Zellstoff gewonnen werden können und eine stabile kolloidale Suspension bilden können. Darüber hinaus können sie sich oberhalb einer Schwellenkonzentration spontan zu einer cholesterischen Flüssigkristallphase (LC) zusammenlagern20,21. Diese cholesterische Struktur kommt häufig in natürlicher Zellulose aus Pflanzen6 und Chitingeweben von Krabben22,23 und Insekten3 vor. Die Fähigkeit von CNCs, cholesterische LCs zu bilden, wurde im Hinblick darauf untersucht, wie die Färbung in dünnen festen Filmen manipuliert werden kann24,25,26,27,28,29 und wie Zellulose- oder anorganische photonische Sensoren mithilfe nanotechnologischer Methoden konstruiert werden können17,30,31,32 ,33. Darüber hinaus führt der Einbau von Dotierstoffen wie fluoreszierenden Molekülen oder plasmonischen Goldnanostäben in cholesterische Strukturen zu einem zusätzlichen kontrollierbaren Parameter, nämlich ob ihre Reihenfolge positionell oder orientierend ist, zusätzlich zu einer optischen Reaktion, die durch die Chiralität von CNC-Strukturen induziert wird34,35,36 ,37.

Diesen selbstorganisierenden Strukturen mangelt es jedoch meist an einer langfristigen Ordnung; Daher erscheinen Polydomänenstrukturen häufig mit Defekten, Rissen und Fehlausrichtungen zwischen benachbarten Domänen, was eher zu einer pixeligen schillernden Farbe als zu einem gleichmäßigen, lebendigen optischen Effekt führt38. In Laborumgebungen wurde die molekulare Ausrichtungsreihenfolge selbstorganisierter CNC-Filme, die sich aus Suspensionen bilden, auf verschiedene Weise verbessert, z. B. durch die Verwendung externer Felder. Es ist bekannt, dass ein starkes Magnetfeld aufgrund der inhärenten diamagnetischen Anisotropie der Nanostäbe die Ausrichtung der cholesterischen Domänen der CNC ermöglicht , wodurch eine einzelne Monodomänenstruktur entsteht, deren Helikoidachsen entlang des Magnetfelds ausgerichtet sind . Obwohl Magnetfelder die Ausrichtung der gesamten cholesterischen Struktur mit einer langsamen Relaxationszeit von mehreren Stunden in Bezug auf die Kinetik der Ausrichtung ermöglichen42, ermöglichen sie kein hohes Maß an Kontrolle über die Periodizität.

Elektrische Felder ermöglichen es Cellulosefasern auch, sich in einem unpolaren Lösungsmittel parallel zu den angelegten Feldern auszurichten43,44. Unter Verwendung einer mit einem unpolaren Lösungsmittel verdünnten CNC-Suspension haben Frka-Petesic et al. ergab, dass diese Ausrichtung durch die Kopplung elektrischer Felder mit permanenten und induzierten Dipolmomenten an einzelnen CNC-Molekülen verursacht wird. Darüber hinaus wurde die durch elektrische und magnetische Felder induzierte Anordnung anderer kolloidaler LCs ausführlich untersucht46,47,48,49,50,51. Durch die kontinuierliche Anwendung von Magnetfeldern bewirkten Dogic und Fraden52, dass sich kolloidale LCs aus chiralen fd-Viren von cholesterisch in nematisch umwandelten. Unterdessen wurde mithilfe eines angelegten elektrischen Gleichstromfelds ein Ionenkonzentrationsgradient eingeführt, der eine elektrooptische Reaktion in einer wässrigen Lösung von Hydroxypropylcellulose53,54 erzeugte, einem polymeren Cellulosederivat, das lyotrope cholesterische Phasen bildet. In ähnlicher Weise hat sich herausgestellt, dass die Kontrolle des Schillerns konzentrierter CNCs in einem unpolaren Lösungsmittel eine gute Möglichkeit ist, die Wirksamkeit elektrischer Felder bei der Ausrichtung von CNCs zu demonstrieren55.

Diese externen Felder helfen zwar bis zu einem gewissen Grad bei der Ausrichtung von CNCs, sie stellen jedoch nicht unbedingt sicher, dass CNC-Filme beim Trocknen gleichmäßig bleiben. Dies liegt vermutlich daran, dass einige Faktoren die Gleichmäßigkeit der Filme behindern, beispielsweise die starke Selbstorganisation von CNCs in Suspensionen mit hoher Flüssigkeit. Darüber hinaus kann der Verdunstungsprozess des Lösungsmittels, der bei thermotropen LCs keine Rolle spielt, diese Gleichmäßigkeit beeinträchtigen. Infolgedessen weisen die meisten getrockneten CNC-Filme ein charakteristisches Polydomänen-Mosaikmuster anstelle eines einheitlichen optischen Effekts auf. Daher ist es wichtig, diese Faktoren zu verstehen, um großflächige, gleichmäßig getrocknete CNC-Filme zu erhalten.

Obwohl hydrodynamische Scherung dazu beiträgt, die cholesterische Ordnung in eine nematische umzuwandeln56,57, zeigten Lagerwall et al.58,59, dass die Anwendung sanfter kreisförmiger Scherung beim Trocknen einer Suspension lokal die vertikale Ausrichtung der cholesterischen Strukturen verbesserte; Allerdings wurde die helikoidale Ordnung zu den Rändern hin allmählich verzerrt. Dennoch wäre es interessant, diese einfachen, nicht statischen Trocknungsmethoden weiter zu untersuchen, da sie einige Einblicke in die Erzielung eines gleichmäßigen Musters über eine große Fläche liefern würden. Lagerwall et al. schlugen außerdem vor, dass die anfängliche CNC-Konzentration einer Suspension von entscheidender Bedeutung ist, und betrachteten sie daher als einen entscheidenden Faktor. Dies zeigte, dass eine hohe CNC-Konzentration, die eine vollständige LC-Phase gewährleistet, vorzuziehen ist, um gleichmäßige getrocknete Filme über eine große Fläche zu erhalten58. Elektronenmikroskopische Aufnahmen der gebrochenen Filme bestätigten die weitgehend einheitliche Ausrichtung der Helixachsen senkrecht zur Filmebene; Als wir jedoch versuchten, eine hohe CNC-Konzentration zu verwenden, die eine vollständige LC-Phase zeigte, war unser Farbfilm kaum gleichmäßig. Vermutlich ist in diesem Fall eine hohe Viskosität ein weiterer negativer Faktor. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass keine universelle Methode zur Herstellung gleichmäßig getrockneter CNC-Filme entwickelt wurde und die beste Methode zur Herstellung solcher Filme immer noch umstritten ist.

Die Nutzung der lyotropen cholesterischen LC-Phase mithilfe von CNC-Suspensionen konzentriert sich zunehmend in zahlreiche Richtungen; Die Herstellung einheitlicher CNC-Filme ist jedoch komplexer als oft angenommen, was zu Problemen bei der Reproduzierbarkeit und Verwirrung führt. Unsere Gruppe hatte auch Schwierigkeiten bei der Herstellung gleichmäßig gefärbter CNC-Filme aus wässrigen Suspensionen. Im Vergleich zu denen in thermotropen LCs ist es deutlich schwieriger, in CNC-Suspensionen eine gleichmäßige molekulare Ausrichtung und Orientierung zu erreichen; Daher richten wir unsere Aufmerksamkeit auf Unterschiede in den Eigenschaften und Prozessen zwischen lyotropen und thermotropen LCs bei der Herstellung von Filmen. Dieser auf das Wesentliche zurückgreifende Ansatz offenbart ein charakteristisches Merkmal lyotroper LCs, nämlich die Verwendung eines Lösungsmittels, bei dem es sich bei wässrigen CNC-Suspensionen um Wasser handelt. Beim Trocknen dieser Suspensionen zur Herstellung von Filmen strömt Wasser durch das Medium, während es verdunstet. Dies ist der wahrscheinlichste Faktor, der die Gleichmäßigkeit der getrockneten CNC-Filme beeinträchtigt.

Gray60 untersuchte die schillernde Natur von Tröpfchen getrockneter CNC-Suspensionen und korrelierte diese Eigenschaft mit dem „Kaffeering“-Fleck, der typischerweise bei luftgetrockneten Filmen beobachtet wird61. Durch Beobachtung der zweidimensionalen U-förmigen Höhenprofile der getrockneten CNC-Tröpfchen über den Durchmesser der Tröpfchen kamen sie zu dem Schluss, dass die Verdunstung des Lösungsmittels und der damit verbundene Massentransfer den Konzentrationsgradienten über den Ring verursachten, von dem man annahm, dass er damit zusammenhängt ein Farbverlauf, wobei der Anteil längerer Wellenlängen zur Mitte des Tropfens hin abnimmt60. Es wird angenommen, dass die Bildung schillernder Filme durch zwei Schlüsselprozesse erfolgt; Das eine ist eine ausgeglichene Änderung der Ganghöhe, wenn die Konzentration der chiralen stäbchenförmigen Spezies zunimmt, und das andere ist ein kinetisch kontrollierter Zustand, in dem sich beim Trocknen des Films ein Gel- oder Glaszustand einstellt24. Weitere Forschung wird jedoch nützlich sein, um diese Hypothese zu bestätigen, diese und andere verwandte Phänomene umfassend zu verstehen und detaillierte physikalische Einblicke in den Trocknungsprozess zu gewinnen, der die schillernde Natur der CNC-Tröpfchen bildet.

In dieser Studie befassen wir uns damit, wie mit einer einfachen Methode eine Farbgleichmäßigkeit in CNC-Filmen erreicht werden kann, und finden dabei konsistente Mechanismen, die ihrer Entstehung zugrunde liegen, zusammen mit einigen relevanten Parametern, die kontrolliert werden müssen. Obwohl sporadisch über einige Techniken und Mechanismen berichtet wurde, die einheitliche CNC-Filme bzw. schillernde Färbungen liefern, sind diese Ergebnisse noch nicht schlüssig und bleiben Gegenstand von Debatten. Dies liegt vermutlich daran, dass mehrere miteinander verbundene Faktoren beteiligt sind, die die molekulare Ausrichtung und die Helixsteigung von CNCs beeinflussen. Daher verfolgen wir einen recht primitiven Ansatz, um verschiedene Beobachtungen zu vereinfachen und gleichzeitig den Prozess der Filmherstellung aus wässrigen CNC-Suspensionen qualitativ zu modellieren, analog zu den Prozessen, die in thermotropen LCs und anderen Materialien ablaufen. Für unsere Zwecke beschäftigen wir uns nur mit der Gleichmäßigkeit von Filmen, die aus einfachen CNC-Tröpfchen gebildet werden; Wir leiten daraus einige bevorzugte Bedingungen für eine gleichmäßige Ausrichtung und damit eine homogene Farbe ab.

Eine Suspension von CNCs mit hohem Schwefelgehalt (CNC-HS [(C6H10O5)x(C6H9O4SO4Na)y)] (Feststoffgehalt: 20 %) wurde von Cellulose Lab gekauft; Diese CNC-HS-Suspension wurde aus der Schwefelsäurehydrolyse von vorhydrolysiertem Kraftzellstoff gewonnen, der zunächst durch Entfernung der meisten nichtzellulosehaltigen Bestandteile in der Biomasse, wie Lignin, Hemizellulose, Fette und Wachse, Proteine ​​und anorganische Verunreinigungen, gereinigt wurde . Insbesondere wurde eine Hydrolyse mit 62–64 %iger Schwefelsäure durchgeführt, um die amorphen Bereiche der Cellulose-Mikrofibrillen zu entfernen, gefolgt von Zentrifugation und Dialyse, um restliche Säure und Salz zu entfernen. Die Reaktionszeit und die Temperatur betrugen etwa 1–2 Stunden bzw. 44–65 °C. Die CNC-HS-Nanostäbe hatten eine Länge von 135 nm und eine Breite von 7 nm und das Aspektverhältnis betrug ungefähr 20. Der Schwefelgehalt wurde mittels konduktometrischer Titration62 gegen NaOH gemessen und als [S] ≈ 1,02 ± 0,08 Gew.-% quantifiziert.

Wir haben die CNC-HS-Suspension ohne weitere Reinigung verwendet und sie mit entionisiertem (DI) Wasser von 20 % auf niedrigere Konzentrationen von 1–10 Gew.-% verdünnt, indem wir eine bestimmte Menge der 20 %igen CNC-Suspension und die gewünschte Menge an DI-Wasser gemischt haben einem Hochgeschwindigkeitshomogenisator (T 10 basic ULTRA-TURRAX®, IKA) bei 6.000 U/min für 60 min. Darüber hinaus wurden die gemischten Suspensionen 15 Minuten lang mit Ultraschall behandelt, um Blasen aus den hochkonzentrierten Suspensionen zu entfernen.

Um die Phasen der Suspensionen als Funktion der CNC-Konzentration zu beobachten, wurden rechteckige Borosilikatkapillaren (Capillaries #3536-050, VitroCom) mit Innenabmessungen von 0,3 (Pfadlänge) × 10 (Breite) und einer Glasdicke von 0,3 mm verwendet . Anschließend wurde das Röhrchen mit der Probe gefüllt und mit Ton verschlossen. Die Proben wurden vor allen Experimenten mindestens 48 Stunden lang abgesetzt, um eine Phasentrennung in diesen Kapillarröhrchen zu ermöglichen.

Um eine feuchtigkeitskontrollierte Trocknung durchzuführen, wurde in einem temperierten Labor bei 24 °C eine feuchte Atmosphäre auf engstem Raum mithilfe einer transparenten Kunststoffbox erzeugt. Abbildung 1 zeigt Draufsichten und Seitenansichten der Komponenten in unserem typischen Aufbau für diese Trocknungsmethode. Eine Glasscheibe wurde als Unterlage auf einen optischen Tisch gelegt, um eine flache Oberfläche zu erhalten und die Löcher des optischen Tisches abzudecken, und eine transparente Kunststoffbox mit den Abmessungen 20 × 10 × 5 cm bedeckte die Oberfläche der Glasscheibe. Der begrenzte Raum enthielt Probentröpfchen mit einem Gesamtvolumen von 0,3 ml auf Glasobjektträgern, einen Feuchtigkeitssensor (Modell T1, tempi.fi) mit einer typischen Feuchtigkeitsgenauigkeit von ± 3 % und einen kleinen Ventilator. Darüber hinaus enthielt es eine Petrischale mit einem Durchmesser von 9 cm, in die entweder 0,1–10 ml Wasser oder 10–40 g Kieselgel (Tokai Chemical Industry Co., Ltd.) um die Proben im Behälter gegeben wurden Raum zur Kontrolle der Luftfeuchtigkeit. Um die Luftfeuchtigkeit auf < 20 %, ~ 25 % und ~ 30 % zu senken, waren ~ 40, ~ 20 bzw. ~ 10 g Kieselgel erforderlich, das in eine separate Petrischale gegeben wurde. In der Zwischenzeit wurde die Luftfeuchtigkeit durch Zugabe von 0,1, 1 bzw. 10 ml Wasser in die Petrischale auf ~ 75 %, ~ 90 % und ~ 99 % erhöht. Die Atmosphäre im geschlossenen Raum wurde durch den kleinen Ventilator homogenisiert. Darüber hinaus wurde der Spalt zwischen Glasscheibe und Box mit Parafilm abgedichtet, wodurch in dem begrenzten Raum eine sehr feuchte Umgebung geschaffen werden konnte.

(a) Draufsicht und (b) Seitenansicht unseres typischen Aufbaus zur Herstellung von CNC-Tröpfchenfilmen unter feuchtigkeitskontrollierter Trocknung. Zur Erhöhung der Genauigkeit wurden zwei Feuchtigkeitssensoren eingesetzt.

Zur weiteren Analyse wurden einige Filme unter Bedingungen hoher Luftfeuchtigkeit auf einem Orbitalschüttler (S101, Firstek Scientific) hergestellt, um zu beobachten, ob eine linksdrehende kreisförmige Scherströmung die Farbgleichmäßigkeit der Filme verbesserte58. Die Rotationsgeschwindigkeit kann bis zu 150 U/min variieren.

Die Phasentrennung der Suspensionen wurde durch Beobachtung der rechteckigen Kapillaren zwischen gekreuzten Polarisatoren untersucht. Der Volumenanteil jeder Phase in der Gesamtsuspension wurde durch Messung der Höhe jeder Phase und der Gesamtsuspension im Kapillarrohr bestimmt. Polarisierte optische Bilder wurden mit einem polarisierenden optischen Mikroskop (POM) Olympus BX53/BX53M-P aufgenommen, und ein Nikon-Mikroskop SMZ745/SMZ745T wurde verwendet, um die optischen Eigenschaften der Filme hauptsächlich im Reflexionsmodus zu untersuchen. Die strukturelle Ordnung der Probe wurde anhand ihrer optischen Eigenschaften mithilfe verschiedener Mikroskopeinstellungen untersucht, darunter direkte Beobachtung mit und ohne gekreuzte Polarisatoren und Lichtbeugungsmethoden. Die cholesterische Tonhöhe wurde aus den POM-Bildern der Fingerabdrucktexturen geschätzt, indem 10 zufällig ausgewählte Muster in 10 oder mehr POM-Bildern aus verschiedenen Regionen gezählt wurden, um die durchschnittlichen Tonhöhen und Standardabweichungen zu erhalten. Um einige Punkte in den POM-Bildern zu charakterisieren, wurden Transmissions- und Reflexionsspektren mit einem Ocean Optics HR4000-Spektrometer aufgezeichnet.

Unser erster Schritt bestand darin, das Phasenverhalten der CNC-Aufhängungen zu beobachten. Wenn CNCs oberhalb einer kritischen Konzentration in Wasser suspendiert werden, können sie sich selbst zu einer lyotropen cholesterischen LC-Phase zusammenlagern20,21. Die anziehenden und abstoßenden intermolekularen Wechselwirkungen und das Gleichgewicht zwischen ihnen spielen eine Rolle bei der Steuerung der thermodynamischen Stabilität einer kolloidalen CNC-Suspension sowie ihrer Fähigkeit, sich selbst zu einem LC zusammenzusetzen. Vermutlich werden die anziehenden Wechselwirkungen durch Van-der-Waals-Kräfte verursacht, während die abstoßenden Kräfte nicht nur durch sterische Abstoßungen mit kurzer Reichweite, sondern auch durch sterische oder elektrostatische Abstoßungen mit größerer Reichweite entstehen63. Obwohl sich CNC-Nanostäbe bei niedrigen Konzentrationen eher zufällig ausrichten und dadurch eine isotrope Phase bilden, fördern ausreichend hohe Konzentrationen häufig lokal die intermolekulare Ausrichtung zwischen einzelnen Nanostäben. Wenn ihre Konzentration erhöht wird, müssen die Proben daher einen Phasenübergang erster Ordnung durchlaufen, während sie über einen Zwischenzustand, in dem beide Phasen koexistieren, von einer isotropen Phase in eine cholesterische Phase übergehen. Die geordnete Phase kann mithilfe eines POM anhand charakteristischer cholesterischer Fingerabdruckmuster identifiziert werden.

Abbildung 2a zeigt das Phasenverhalten von CNC-Suspensionen als Funktion der CNC-Konzentration, die erwartungsgemäß mit zunehmender Konzentration einen deutlichen Phasenübergang von rein isotropen zu zweiphasigen und anisotropen LCs zeigt. Das Phasendiagramm in Abb. 2b zeigt den Anteil der anisotropen Phase als Funktion der gesamten CNC-Konzentration in der Suspension, der als Verhältnis des Volumens der anisotropen Phase zum gesamten Probenvolumen berechnet werden kann. Im zweiphasigen System trennt sich die Suspension in zwei Teile, nachdem sich der Niederschlag im Rohr absetzen kann: Die obere Phase ist isotrop und die untere anisotrop. Dieses zweiphasige Regime tritt bei CNC-Konzentrationen von etwa 4 bis etwa 10 % auf, darüber hinaus zeigt die Suspension nur noch Anisotropie.

(a) Phasenübergang von isotrop zu cholesterisch (quadratische Punkte) mit zunehmender CNC-Konzentration und der entsprechenden Gleichgewichts-Helixganghöhe (rote Kreise). (b) Schematische Darstellung der Höhe der anisotropen Phase im Vergleich zur Gesamtsuspension im Kapillarrohr (oben) und des typischen Erscheinungsbilds der anisotropen Phase (unten) mit Fingerabdrucktexturen, aus denen die Tonhöhe bestimmt werden kann. Das Bild wurde mit POM aufgenommen.

In der LC-Phase ist die cholesterische Ordnung der CNCs durch lokal ausgerichtete Nanostäbe entlang einer durchschnittlichen gemeinsamen Richtung gekennzeichnet. Die durchschnittliche Orientierung von Molekülen in einem kleinen Volumen wird als Direktor \({\varvec{n}}\) charakterisiert, der sich räumlich um eine Achse \({\varvec{m}}\) dreht und in Bezug darauf eine helikoidale Struktur bildet zu \({\varvec{m}}\). Die CNCs ordnen sich in der linksdrehenden Helixrichtung an, was durch die chiralen Wechselwirkungen zwischen den Nanostäben verursacht wird; Der intrinsische Mechanismus, der der Bildung der helikoidalen Struktur zugrunde liegt, wird jedoch noch diskutiert64,65,66,67. In einer helikoidalen Struktur, die durch \({\varvec{n}}\) gebildet wird, ist die Entfernung, die \({\varvec{n}}\) benötigt, um sich um volle 360° zu drehen, als die Helixsteigung \({\varvec {P}}\). CNCs erzeugen intrinsisch optische Eigenschaften, wenn ihre Helixsteigungen nur innerhalb eines bestimmten Bereichs variieren.

Die helikalen Strukturen von \({\varvec{n}}\) weisen eine charakteristische „Fingerabdrucktextur“ auf, wenn die helikale Achse \({\varvec{m}}\) parallel zur Substratoberfläche verläuft, was bedeutet, dass die LCs dies tun müssen vertikal ausgerichtet sein, um diese Fingerabdrucktexturen beobachten zu können. Die Messung des Linienabstands der Fingerabdrucktextur ergibt die Hälfte der Helixganghöhe in der cholesterischen LC-Phase. Die durch ein POM beobachtete Textur besteht aus planaren und Fingerabdrucktexturen, wobei die Neigung von \({\varvec{m}}\) mit verschiedenen Disklinationen von orthogonal bis parallel zur Probenebene variiert. Mit einem POM können nur Helixsteigungen von 2 bis 5 µm beobachtet werden; Wenn sich die Spiralganghöhe jedoch der Wellenlänge des sichtbaren Lichts nähert, wird es schwierig, die Fingerabdrucktexturen zu erkennen. kürzere Tonhöhen können daher mit dieser Methode nicht ermittelt werden.

Unser Ziel ist es, gleichmäßig gefärbte CNC-Folien zu erhalten. Zu diesem Zweck müssen die Helixganghöhen kurz genug sein, um sichtbares Licht zu reflektieren, und die Ausrichtung der Moleküle muss kontrolliert werden, was wiederum die Helixachsen steuert; Allerdings sind wir auf Schwierigkeiten gestoßen, beide Anforderungen zu erfüllen. Die Helixganghöhe von CNCs in wässrigen Suspensionen beträgt höchstens ~ 2 µm, wie in Abb. 2 beobachtet, und die Suspensionen sind farblos; Selbst wenn wir aus diesen Suspensionen einen CNC-Film durch Schleuderbeschichtung oder einen Tauchprozess auf ein Glassubstrat auftragen, zeigt der Film daher kein Schillern und seine Farbe ist eher transparent.

Daher muss die Spiralsteigung von CNC-Aufhängungen verkürzt werden, um die Strukturfarbe in CNC-Filmen zu beobachten. Im Allgemeinen wird die Tonhöhe durch mehrere Faktoren beeinflusst, die unterschiedliche Mechanismen beinhalten. Beispielsweise beeinflusst die Zugabe eines nichtflüchtigen Additivs oder Colösungsmittels bekanntermaßen die Gleichgewichtsganghöhe cholesterischer Suspensionen, und die Zugabe von D-Glucose führt zu einer Blauverschiebung24. Allerdings war der Erfolg dieser früheren Strategien in unserem Labor nicht reproduzierbar, selbst mit D-Glucose und ähnlichen Zusatzstoffen wie D-Fructose und D-Saccharose, und eine zuverlässige Möglichkeit zur Kontrolle der Tonhöhe wurde noch nicht etabliert und bleibt bestehen Bereich der aktiven Forschung68.

Glücklicherweise beobachteten wir im Verlauf unserer Experimente zu Phasenübergängen in CNC-Suspensionen unerwartet einen teilweise gefärbten Film, der aus einem versehentlich auf einen Schreibtisch getropften Tropfen einer CNC-Suspension getrocknet war. Inspiriert von dieser Färbung begannen wir, einige absichtlich hergestellte Tröpfchen aus CNC-Aufhängungen zu untersuchen. Abbildung 3 vergleicht zwei Fälle unterschiedlich getrockneter CNC-Suspensionströpfchen: Ein Tröpfchen wurde in der Umgebungsluft zu einem Film getrocknet, das andere bei höherer Luftfeuchtigkeit (~ 70–80 %), wodurch sich die Tröpfchen während des Trocknens tendenziell verformen. Im ersten Fall bilden mehrere Farben einen regenbogenähnlichen „Kaffeering“-Fleck von Rot nach Blau vom äußeren zum inneren Bereich des Tröpfchens, wobei eine bläuliche Farbe im Inneren des Films dominanter und gleichmäßiger zu sein scheint, so die Beobachtung Dies stimmt mit Ref. 60 überein. Während des Trocknungsprozesses der CNC-Suspensionströpfchen können sich diese Kaffeeringflecken aufgrund des Kapillarflusses bilden, der durch die Fixierung der Kontaktlinien verursacht wird61,69 (d. h. die Tendenz, dass der Umriss des Tröpfchens erhalten bleibt). an Ort und Stelle). Zunächst ist die Kontaktlinie des Tropfens fixiert und die CNCs sind homogen verteilt; Wenn jedoch Wasser an der fixierten Kontaktlinie verdunstet, induziert diese Verdunstung eine Kapillarströmung, die dazu neigt, die CNCs zum Rand hin zu ziehen, während die Kontaktlinie allmählich zur Mitte hin zurückweicht. Unter diesem Mechanismus versteht man allgemein den Coffee-Ring-Effekt60. Diese Farben können ohne ein Paar Polarisatoren beobachtet werden und müssen daher strukturelle Färbungen sein, die von den verschiedenen Helixganghöhen der CNCs abgeleitet sind, was darauf hindeutet, dass sich ihre Ganghöhe zwischen der Suspension und den resultierenden Filmen unterscheidet und dass die Ganghöhe in der Suspension sich allmählich verkürzt, wenn das Tröpfchen verdampft .

Vergleich zweier anfänglicher CNC-Tröpfchen, die (a) in der Umgebungsluft und (b) bei hoher Luftfeuchtigkeit von etwa 70–80 % getrocknet wurden. Diese Tröpfchen wurden mit der 7 %igen CNC-Suspension hergestellt. Diese Bilder wurden im Reflexionsmodus unter weißem Licht ohne Polarisatoren aufgenommen.

Offensichtlich fördert eine Erhöhung der Temperatur die Verdunstung von Wasser aus den Tröpfchen, was wiederum die Strömung in den Tröpfchen aktiver macht. Es kann davon ausgegangen werden, dass dieser aktivere Fluss während der Verdampfung den Übergang zu einem thermodynamisch stabilen Pech kinetisch behindert, was dem kinetischen Stillstand der Molekülbewegungen in einen gelartigen Glaszustand gleichkäme68. Selbst wenn das Pech unter diesem kinetischen Stillstand in den sichtbaren Bereich fällt, können sich die resultierenden Farben aufgrund der gestörten Strömung in den Tröpfchen schließlich auflösen. Abbildung 4 vergleicht die Texturen einiger Filme, die aus Tröpfchen wässriger CNC-Suspensionen mit unterschiedlichen Konzentrationen hergestellt wurden und bei verschiedenen konstanten Temperaturen getrocknet wurden. Die biphasische Suspension, also die 7 %ige CNC-Suspension, liefert unter unseren Bedingungen die schillerndsten Filme. Dieses Ergebnis widerspricht früheren Erkenntnissen, dass eine ausreichend hohe Konzentration zur Gewährleistung vollständiger LC-Eigenschaften vorzuziehen ist, um eine gleichmäßige helikale Ausrichtung senkrecht zur Filmebene zu fördern58. Im Gegensatz dazu treten bei der 10 %igen CNC-Suspension mit zunehmender Temperatur zunehmend auffällig helle weißliche Texturen in den Filmen auf, und nach dem Trocknen bei Raumtemperatur (~ 20 °C) treten sehr schwache Kaffeeringflecken auf. Darüber hinaus können einige Domänen mit Abmessungen im Submikron- bis Millimeterbereich beobachtet werden, vermutlich weil ein anderer Faktor, wie die Viskosität und damit der Stoffübergang, eine Rolle bei der Bildung eines Films spielt, wenn Wasser aus der Suspension verdunstet. Der Film mit der 2 %igen CNC-Suspension weist nach dem Trocknen bei Raumtemperatur ebenfalls Kaffeeringflecken auf, diese können jedoch vernünftigerweise als schwächer angesehen werden als die im Film, der aus der 7 %igen CNC-Suspension hergestellt wurde. Aufgrund der isotropen Natur der 2 %igen CNC-Suspension ist der größte mittlere Teil des Films dunkel. Bei höheren Temperaturen sind vor dem dunklen Hintergrund hellfarbige Texturen zu beobachten, die einer aktivierten Spur von Stoffübergang ähneln. Insgesamt vermischen sich die Farben in den Filmen mit steigender Temperatur über eine größere Fläche und es treten Mischflecken anstelle von Kaffeeringflecken auf, was unsere Vorhersagen zum aktiven Fluss in den Tröpfchen auf der Grundlage vorhandener Erkenntnisse bestätigt. Beim Trocknen bei Raumtemperatur verändert sich jedoch die Textur der Filme von Mischflecken zu Kaffeeringflecken.

CNC-Tröpfchen, die bei verschiedenen konstanten Temperaturen aus Suspensionen von (a)‒(c) 2 %, (d)‒(f) 7 % und (g)‒(i) 10 % CNCs getrocknet wurden. Diese Bilder wurden im Reflexionsmodus unter weißem Licht ohne Polarisatoren aufgenommen.

Die Luftfeuchtigkeit ist ein weiterer Parameter, der die Geschwindigkeit der Wasserverdunstung aus wässrigen CNC-Suspensionen und damit die Qualität ihrer Filme beeinflusst. Der Feuchtigkeitsgehalt der Luft wird als Luftfeuchtigkeit definiert und als Verhältnis der Wasserdampfmenge in der Luft zur gesättigten Wasserdampfmenge bei einer bestimmten Temperatur ausgedrückt. Offensichtlich führt eine niedrige Luftfeuchtigkeit dazu, dass die Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann, wodurch sich die Verdunstungsrate der Suspensionen erhöht. Andererseits bedeutet eine hohe Luftfeuchtigkeit, dass die Luft bereits viel Feuchtigkeit enthält; dadurch verdunstet Wasser langsamer. Abbildung 5 vergleicht Filme aus CNC-Suspensionströpfchen, die bei verschiedenen konstanten Luftfeuchtigkeiten getrocknet wurden. Wie bei den temperaturgesteuerten Filmen weist die zweiphasige 7 %ige CNC-Suspension die schillerndste Textur unter den Filmen auf. Mit zunehmender kontrollierter Luftfeuchtigkeit breiten sich die Kaffeeringflecken weiter vom Rand in Richtung des inneren Teils der Tropfen aus. Bei höchster Luftfeuchtigkeit verteilt sich die blaue Farbe weit und gleichmäßig in der Mitte des Tropfens.

CNC-Filme, getrocknet aus Tröpfchen von (a)‒(e) 2 %, (f)‒(j) 7 % und (k)‒(o) 10 % CNC-Suspensionen unter steigenden Werten konstanter Luftfeuchtigkeit (von links nach rechts). Diese Bilder wurden im Reflexionsmodus unter weißem Licht ohne Polarisatoren aufgenommen.

Hinsichtlich der Schillerung zeigte keiner der aus Tröpfchen der 2 % und 10 % CNC-Suspensionen getrockneten Filme eine ausreichende Farbe. Schwache Kaffeeringflecken in den aus der 2 %igen CNC-Suspension hergestellten Filmen neigen jedoch eindeutig dazu, sich mit zunehmender Luftfeuchtigkeit weiter in Richtung der Tropfenmitte auszudehnen, während sie um die Tropfenmitte herum dunkel erscheinen, was auf die Isotropie zurückzuführen sein muss Art der 2 % CNC-Federung. Unterdessen erscheinen die aus den 10 % CNC-Suspensionen hergestellten Tröpfchen eher hellweiß als als bunte Kaffeeringflecken, was darauf hindeutet, dass der Stofftransfer während des Trocknens ineffizient war, vermutlich aufgrund der hohen Viskosität dieser konzentrierten Suspension. Darüber hinaus legt dieser Befund nahe, dass die Helixganghöhe der CNCs im sichtbaren Spektralbereich variiert und die CNC-Phase vor Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts in einen glasigen Zustand übergeht.

Als weitere Möglichkeit, die Geschwindigkeit der Wasserverdunstung zu kontrollieren, haben wir auch versucht, die Ionenstärke von CNC-Suspensionen mithilfe von NaCl21 zu erhöhen; Allerdings veränderte die Zugabe von NaCl die Suspensionen drastisch, sodass sie sofort undurchsichtig wurden, was auf eine Aggregation hindeutete. Die CNC-Suspensionen müssen sich in einem elektrostatisch stabilisierten Kolloidzustand befinden, wobei das empfindliche Gleichgewicht des Wechselwirkungspotentials zwischen den Kolloiden durch Änderungen der Ionenstärke zerstört werden kann. Mit anderen Worten: Die CNC-Aufhängungen befanden sich thermodynamisch in einem quasistabilen Zustand. Die Energiebarriere vom quasistabilen Zustand zum global stabilen Zustand, nämlich dem aggregierten Zustand, kann bei höheren Ionenstärken gesenkt werden.

Um außerdem festzustellen, ob ein gleichmäßiger blauer Film erzielt werden kann, wurde der feuchtigkeitskontrollierte Trocknungsprozess mit orbitalem Schütteln kombiniert, das bekanntermaßen effektiv gleichmäßige CNC-Filme bildet58. Abbildung 6 zeigt zwei Tropfenfilme, die unter zwei konstant hohen Luftfeuchtigkeitswerten getrocknet wurden, während sie orbital geschüttelt wurden. Der blaue Bereich erstreckt sich gleichmäßiger vom Rand bis zur Mitte des Tröpfchens, wenn Trocknung bei hoher Luftfeuchtigkeit mit orbitalem Schütteln kombiniert wird, was darauf hindeutet, dass diese Bedingungen tatsächlich die Gleichmäßigkeit des blauen Bereichs im Film wirksam verbessern. Abbildung 7 bestätigt diese Gleichmäßigkeit durch den Vergleich der Reflexionsspektren von zwei Extremfällen: Das eine stammt von dem Film, der aus der 7 %igen CNC-Suspension ohne Orbitalschütteln bei 24 % Luftfeuchtigkeit getrocknet wurde, und das andere wurde aus der gleichen Konzentration während Orbitalschütteln bei 98 % Luftfeuchtigkeit gebildet. Feuchtigkeit. Letzteres zeigt tatsächlich Reflexionsspitzen, die durch selektive Reflexion im blauen Bereich an den Positionen vom Rand bis zur Mitte des Films verursacht werden, während sich Reflexionen von denselben Positionen im ersteren vom gelben in den blauen Bereich verschieben.

7 % CNC-Tröpfchenfilme wurden unter hoher Luftfeuchtigkeit von (a) 60 % und (b) 98 % getrocknet, während sie gegen den Uhrzeigersinn kreisförmig geschüttelt wurden. Diese Bilder wurden im Reflexionsmodus unter weißem Licht ohne Polarisatoren aufgenommen.

Reflexionsspektren von 7 % CNC-Tröpfchenfilmen, die bei (a) 24 % Luftfeuchtigkeit ohne orbitales Schütteln und (b) 98 % Luftfeuchtigkeit getrocknet wurden, während sie mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 100 U/min entgegen dem Uhrzeigersinn kreisförmig geschüttelt wurden.

Wie bereits berichtet58, kann die orbitale Strömung die Verzerrung von Taktoiden ermöglichen und dadurch Mikrodomänen von CNCs bilden, während gleichzeitig die Symmetrie dieser Taktoiden gebrochen wird, sodass ihre vertikalen Helixachsen ausgerichtet sind. Obwohl dieser Prozess plausibel ist, sollte auch ein anderer möglicher Mechanismus in Betracht gezogen werden, nämlich dass der Orbitalfluss den Kapillarfluss unterbricht. Letzteres steht in direktem Zusammenhang mit der Wasserverdunstung. Das Trocknen bei hoher Luftfeuchtigkeit unter gleichmäßigem orbitalem Schütteln verstärkt den Effekt der langsamen Verdunstung über die gesamte Tröpfchenfläche. Tatsächlich breitet sich der blaue Bereich beim Trocknen bei hoher Luftfeuchtigkeit in Kombination mit Orbitalscherung über den gesamten Film aus.

Die in den CNC-Tröpfchenfilmen beobachteten verschiedenen Farben von Rot bis Blau sind tatsächlich Strukturfarben, die aus der periodischen CNC-Struktur stammen, und diese Farben variieren mit der Helixganghöhe in den CNC-Filmen. Abbildung 8 zeigt die Reflexionsspektren der gleichen Filme wie in Abb. 7, jedoch aufgenommen mit zirkular polarisiertem Licht als Eingabe. Offensichtlich reflektiert die linksdrehende Spiralsteigung der CNC linksdrehend zirkular polarisiertes Licht (LPL) stärker als rechtsdrehend polarisiertes Licht (RPL). Im Gegensatz zu Filmen aus gut ausgerichteten cholesterischen LCs sind unsere CNC-Tröpfchenfilme offensichtlich in Bezug auf Dicke, Helixganghöhe und Ausrichtung ihrer Mikrodomänen uneinheitlich. Vermutlich können diese komplizierten, aber ungleichmäßigen Eigenschaften das einfallende Licht depolarisieren, und die LPL des depolarisierten Lichts würde bevorzugt von den CNC-Filmen reflektiert.

Reflexionsspektren, die von durch Kreuze in den Einschüben gekennzeichneten Punkten unter zirkular polarisiertem Licht aufgezeichnet wurden und verschiedene Farben in 7 % CNC-Tröpfchenfilmen zeigen, die bei (a)‒(c) 24 % Luftfeuchtigkeit ohne orbitales Schütteln und (d) 98 % Luftfeuchtigkeit unter orbitalem Schütteln getrocknet wurden bei 100 U/min. LPL und RPL sind links- bzw. rechtsdrehend zirkular polarisiertes Licht.

Unsere obigen systematischen Beobachtungen ermöglichen die Entwicklung eines Modells zur Erläuterung dieser Ergebnisse. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass die CNC-Helix-Steigung kontinuierlich abnimmt, wenn sich CNC-Filme aus den Suspensionen bilden, was darauf hindeutet, dass sich die Helix-Steigung ändert, wenn Wasser aus den Suspensionströpfchen verdunstet. Insbesondere beeinflussen Temperatur und Luftfeuchtigkeit die Geschwindigkeit, mit der Wasser aus wässrigen Suspensionen verdunstet, was sich wiederum auf die CNC-Helixganghöhe, die Dispersion der CNC-Moleküle und die Ausrichtung der Helixachsen in den Filmen auswirkt, wie oben erwähnt. Diese Überlegungen ermöglichen es uns, zwei Arten von LCs zu vergleichen: thermotrope und lyotrope. In thermotropen Flüssigkristallen können die Bewegungen stab- und scheibenförmiger Moleküle im flüssigen Zustand abhängig davon, wie schnell die Temperatur sinkt, in einen festen Zustand eingefroren werden70. Diese Materialien können durch den kinetischen Stillstand molekularer Bewegungen im flüssigen Zustand verglasen, was den Grad der Ordnung im resultierenden glasartigen Zustand bestimmt. Der Zusammenhang zwischen thermotropen Flüssigkristallen und der Temperatur kann natürlich auch in anderen gängigen Materialien beobachtet werden, darunter organische Halbleiter, kleine Moleküle und Polymere; Beispielsweise erfordern eine gute Kristallinität und eine hohe molekulare Ordnung beide eine allmähliche Temperaturabsenkung.

Analog spielt das Lösungsmittel (in unserem Fall Wasser) eine ähnliche Rolle wie die Temperatur in lyotropen LCs, einschließlich solcher, die in wässrigen CNC-Suspensionen gebildet werden. Abbildung 9 veranschaulicht das qualitativ etablierte Modell, bei dem die Wasserverdunstungsrate den Grad der Helixganghöhe und der molekularen Ordnung bestimmt. Wenn Wasser aus den CNC-Suspensionströpfchen schnell verdunstet, kann nicht davon ausgegangen werden, dass sich ihre Helixsteigung in einer thermodynamisch ausgeglichenen Weise ändert24,60. Mit anderen Worten: CNCs können über den kinetischen Stillstand68,71,72,73 molekularer Bewegungen im flüssigen Zustand vitrifizieren. Wenn man bedenkt, dass die Bildung eines gleichmäßig gefärbten Films auf der Packung und Ausrichtung der Moleküle im Film basiert, kann die molekulare Organisation von CNCs, bei denen es sich um glasbildende LCs handelt, während des Trocknungsprozesses vom flüssigen Zustand in ein festes Glas einfrieren. Im Gegensatz dazu kann eine ausreichend langsame Wasserverdampfung aus den CNC-Suspensionströpfchen das thermodynamische Gleichgewicht aufrechterhalten, und die CNC-Helixganghöhe verkürzt sich in den sichtbaren Bereich, während sie diesem Gleichgewichtszustand allmählich folgt, wodurch ein Schillern entsteht.

Qualitatives Modell der Auswirkungen schneller und langsamer Wasserverdunstung auf die Spiralsteigung.

Obwohl das Erreichen einer Farbgleichmäßigkeit in einem CNC-Film weiterhin eine Herausforderung darstellt, haben wir dieses Ziel verfolgt, indem wir die Bedingungen untersucht haben, die durch die thermodynamisch entspannte Ausrichtung und die helikale Steigung von CNCs zu Schillern und Farbgleichmäßigkeit in CNC-Filmen führen. Es wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Wasserverdunstung aus einem Tropfen einen erheblichen Einfluss auf die Qualität und Gleichmäßigkeit dieses Schillerns hat. Das langsame Trocknen eines Tropfens einer CNC-haltigen wässrigen Suspension ermöglicht die thermodynamische Entspannung des Pechs in den blauen Bereich, und durch feuchtigkeitskontrolliertes Trocknen kann eine relativ großflächige Domäne erreicht werden. Durch schnelles Trocknen setzt ein kinetischer Stillstand ein, und die thermodynamisch nicht im Gleichgewicht befindliche Steigung variiert von rot am Rand bis blau in der Mitte des Tröpfchens, vermutlich aufgrund der Kapillarströmung. Es wird ein qualitatives Modell des Trocknungsprozesses wässriger CNC-Suspensionen konzipiert, bei dem dieser kinetische Stillstand den thermodynamischen Übergang der Moleküle zu einer stabilen Ganghöhe verhindern kann, indem die Molekülbewegungen in einen gelartigen, glasigen Zustand eingefroren werden. Dieses Modell kann in Analogie zum kinetischen Stillstand verstanden werden, der durch die Temperaturänderungsrate in thermotropen LCs hervorgerufen wird. Mit diesem Modell im Hinterkopf können wir die Farbergebnisse in getrockneten Filmen, die bei verschiedenen Temperaturen und Luftfeuchtigkeitsniveaus gebildet werden, konsistent interpretieren. Betrachtet man den Prozess der Wasserverdunstung, kann orbitales Schütteln eine Rolle bei der Unterbrechung des Kapillarflusses und der räumlichen Homogenisierung des Verdunstungsprozesses von der Oberfläche der Tröpfchen der wässrigen CNC-Suspension spielen. Um unser qualitatives Modell, einschließlich der vermuteten Rolle des Orbitalschüttelns, besser zu verstehen, wäre es wichtig, die Geschwindigkeit der Wasserverdunstung zu quantifizieren und die Veränderungen in den CNC-Strukturen während des Wasserverdampfungsprozesses spektroskopisch oder rechnerisch zu untersuchen. Daher sollten weitere Anstrengungen unternommen werden, um den durch schnelle Wasserverdunstung verursachten kinetischen Stillstand aufzudecken und einen gleichmäßig gefärbten CNC-Film zu erreichen und gleichzeitig diesen kinetischen Stillstand zu unterdrücken.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse des National Science and Technology Council (NSTC), früher bekannt als Ministry of Science and Technology (MOST), Taiwan, im Rahmen der Zuschüsse NSTC (früher MOST) 110-2221-E-007-092 und 111 unterstützt -2221-E-007-023 sowie die Zuschüsse 108-2622-M-007-006-CC1 und 109-2622-M-007-007-CC1 für industriell-akademische Kooperationen, die gemeinsam vom NSTC und Profound Material Technology finanziert werden Co., Ltd., Taiwan.

Institut für Photonik-Technologien, Fakultät für Elektrotechnik, Nationale Tsing-Hua-Universität, 101 Sek. 2 Kuang-Fu Road, Hsinchu, 30013, Taiwan

Meng-Hsiang Chang & Masahito Oh-e

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MO konzipierte diese Arbeit, analysierte, interpretierte und fasste die Daten zusammen und verfasste das Manuskript. M.-HC führte Experimente unter der Aufsicht von MO durch. Beide Autoren haben das Manuskript rezensiert.

Korrespondenz mit Masahito Oh-e.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chang, MH., Oh-e, M. Kinetischer Stillstand beim Trocknen von Cellulose-Nanokristallfilmen aus wässrigen Suspensionen analog zum Einfrieren thermischer Bewegungen. Sci Rep 12, 21042 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24926-8

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Eingegangen: 08. September 2022

Angenommen: 22. November 2022

Veröffentlicht: 05. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24926-8

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