Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Все большее внимание привлекает к себе явление самосборки мягких коллоидных материалов, так как оно имеет большое значение для прикладных применений [1] и фундаментальных исследований в области физики мягкой материи [2]. Управление межчастичными взаимодействиями может осуществляться за счет воздействий на исследуемый образец с помощью электрических [3], оптических [4], магнитных [5], температурных [6] и других полей.
Перспективным является комбинирование различных механизмов управления межчастичными взаимодействиями [7]. Ряд достоинств имеет одновременное использование методов воздействия электрическими и световыми полями. Среди преимуществ самосборки в электрических полях можно выделить возможность использования в составе коллоидной суспензии частиц из любых материалов, а также возможность пересобирать полученные кластеры. При дополнительном воздействии на образец с помощью оптических полей появляется возможность манипулировать отдельными группами частиц или фиксировать их.
Для комбинирования светового и электрического поля была разработана экспериментальная установка — элеткрооптическое перо. Такая методика дает возможность обеспечивать локальную сборку коллоидной суспензии в электрических полях и с помощью лазерного пучка закреплять полученную структуру, а также при необходимости управлять отдельными группами частиц.
Рассматриваемая установка, схематично представленная на рис. 1, состоит из пяти основных блоков: блок управления межчастичными взаимодействиями с помощью электрического и светового поля; предметный столик; система позиционирования и перемещения; блок микроскопической съемки; блок управления, состоящий из ПК и разработанного программного пакета.
Блок управления межчастичным взаимодействием включает в себя усилитель, аналого-цифровой преобразователь, осциллограф и наконечник оптического пера с электродами, а также лазер для оптического управления и оптическая система для подведения излучения к образцу. Наконечник представляет собой усеченную пирамиду с четырьмя боковыми гранями, на которые нанесены электроды методом литографии. Во время проведения эксперимента он опускается в раствор, находящийся в кювете или чашке Петри на предметном столике.
Наконечник перемещается с помощью вертикальной подвижки, входящей в состав блока позиционирования, который отвечает за точное перемещение элементов установки. К данному блоку также относятся две пары моторизированных подвижек, отвечающих за относительное горизонтальное позиционирование микроскопа, образца и пирамиды с элеткродами.
Микроскоп состоит из сменного объектива, видеокамеры, корректирующей тубусной линзы и подсветки, необходимых для наблюдения за экспериментом и регистрации экспериментальных данных.
Управление всеми перечисленными блоками происходит с помощью разработанного программного пакета, который позволяет настраивать амплитуду напряжения и частоту вращения электрического поля, осуществлять позиционирование головы установки и микроскопа, а также вести видеосъемку эксперимента.
В рамках настоящей работы была проведена серия пилотных экспериментов с целью отработать экспериментальный протокол и выбрать значения таких параметров, как амплитуда напряжения и частота вращения электрического поля.
Исследовалась коллоидная суспензия, состоящая их частиц диоксида кремния диаметром 13,79 и 6,73 мкм и дисперсионной среды — деионизованной воды с удельным сопротивлением 18,2 МОм · см.
Эксперименты проводились по следующему сценарию: исследуемый образец помещался на гидрофобное покровное стекло, расположенное на предметном столике. Выбиралась частота вращения электрического поля и режим съемки. Перед подачей напряжения наконечник опускался в исследуемый образец. Суспензия выдерживалась при заданном вольтаже, далее проводилась видеосъемка экспериментальных результатов.
В ходе пилотных экспериментов наблюдалась сборка в двух основных типах полей: анизотропном и изотропном.
При анизотропном распределении электрического поля частицы могли собираться в вытянутые кластеры или длинные узкие цепочки в зависимости от степени неоднородности поля. В эксперименте, показанном на рис. 2, а, частицы находящиеся в анизотропном поле, быстро объединялись в цепочки, ориентированные по направлению действия наибольшей составляющей вектора напряженности. При продолжении действия электрического поля они объединялись в длинные и крупные кластеры, изображенные на рис. 2, б.
На рис. 3 показана самосборка частиц в изотропном электрическом поле. В рассматриваемом эксперименте частицы собирались в небольшие кластеры. При длительной выдержке кластеры начинали объединяться между собой.
Увеличение амплитуды напряжения и частоты вращения электрического поля приводило к более быстрому процессу сборки. При этом отдельные кластеры могли значительно отличаться друг от друга по размерам.
В рамках настоящей работы была решена задача разработки экспериментальной установки комбинирующей управление взаимодействием при помощи оптических и электрических полей.
Собранная экспериментальная установка — электрооптическое перо — позволяет создавать управляемое межчастичное взаимодействие в коллоидных суспензиях с помощью вращающегося электрического поля, а также лазерным лучом фиксировать полученные кластеры или манипулировать ими.
Проведены пилотные эксперименты, показывающие перспективы использования данной методики для физики мягкой материи и прикладных применений, например, для микрофабрикации и получения функциональных материалов.
Отработаны экспериментальные протоколы, а именно определены области управляющих параметров экспериментальной установки.
