《Nature》利用分子异质性“学会七十二变”的向列型液晶学术资讯

来源：高分子科学前沿

通常来说，具有单分散成分的液滴容易发生形状转变。物质的多分散性或分子异质性会阻碍自组装和状态转换。最近，宾夕法尼亚大学Wei Weishao、Xia Yu和Yang Shu等合作在《Nature》上发表题为” Molecular heterogeneity drives reconfigurable nematic liquid crystal drops”的文章，报道了由多分散向列型液晶低聚物(NLCOs)组成的液滴进行的可逆形状转变。研究人员发现低聚物链长度分布、温度和表面活性剂浓度的变化影响了NLCO弹性能和界面能之间的平衡，并驱动向列相结构的形成，这些向列相结构的形状从粗糙的球体变化到花形，再到具有可控直径的支化丝状网络。这些结构可通过紫外线固化转化为液晶弹性体。链长多分散性在驱动这些形态现象中起着至关重要的作用。这一发现为软材料网络结构和功能的编码提供了新的途径。

研究人员采用直径为数十微米的NLCO液滴，分散在含有十二烷基硫酸钠(SDS)表面活性剂的水中。SDS产生了一种强烈的垂直锚固倾向，其中分子取向垂直于液滴表面。与小分子液晶相比，NLCOs的链长多分散性提供了新的自由度，这会影响液滴的形态，并且NLCOs易于交联成锁定的向列型和形态。

图1:NLCO液滴的自发形状转变。a, b，表面活性剂稳定的NLCO球体(a)和丝状物(b)以紫色显示，水相背景以橙色显示。a中的红色符号代表表面活性剂分子，白线代表向列型导向，这阐述了低聚物链长的空间分离概念。a图的下半部分显示了长链和短链物种分别由代表六聚体和二聚体的蓝色和粉色实心曲线表示(灰色椭圆表示单体)。b中的插图显示了一个放大的丝状物截面图。b中的z轴与丝状物中心轴重合。c-h, 当温度从90°C (c)减少到20°C (h)时，一个NLCO液滴从球体自发(可逆)发展到支化的丝状物。c-h的比例尺为20μm。

研究人员发现进行更长时间齐聚反应的样品包含更多的长链低聚物，具有较大的平均低聚物链长。这会导致较大的NLCO弹性系数，同时也会导致界面低聚物组装具有降低表面张力的趋势。更长的NLCO可增加低聚物链的疏水性，从而形成更有序的界面。随着温度降低，这些趋势有利于形成具有更大表面积的液滴。

图2:平衡NLCO液滴形态，其与平均低聚物链长和表面活性剂浓度有关。a-d，在0.1 wt％SDS溶液中，室温下NLCO液滴形态的光学图像。随着平均低聚物链长⟨ℓ⟩的增加，液滴的形态分别显示为:a、粗糙球;b、花形液滴;而c、d、丝状物的直径呈下降趋势。e、显示了平衡形态与⟨ℓ⟩和表面活性剂浓度关系的状态图。增加任一参数都有助于丝状物的形成。虚线曲线区分了球形和非球形液滴状态。实验在约为0.236 wt% SDS的临界胶束浓度(CMC)以下进行。f、尺寸排阻色谱法显示⟨ℓ⟩随齐聚反应处理时间增加。

研究人员通过这种方法证明了在合成系统中多分散性和分子异质性也可以促进形态结构之间的平衡过渡。利用这一特性，只需调节链长分布、温度和表面活性剂的浓度，就可以得到柔软的液晶材料。对支化行为的研究可能为液滴组装提供新的研究方向，并有可能帮助理解分子非均质驱动分离和相分离在生物学中的作用。这也有助于设计具有图案化功能的新型材料。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1809-8

来源：Polymer-science 高分子科学前沿

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