Lyotrop folyadékkristály - Lyotropic liquid crystal

Image
Rendkívül viszkózus köbös fázisú gél poliszorbát 80 -ból , vízből és folyékony paraffinból .

A folyékony kristályos mezofázisú nevezzük liotróp (a táskát a lyo- „oldódnak”, és -tropic „változás”), ha úgy állítunk elő, egy amfifil mezogén egy alkalmas oldószerben, megfelelő körülmények között a koncentráció, a hőmérséklet és a nyomás. A szappan és víz keveréke a liotróp folyadékkristályok mindennapi példája.

Történelmileg ezt a kifejezést az amfifil molekulákból álló anyagok szokásos viselkedésének leírására használták oldószer hozzáadása után . Az ilyen molekulák egy vízkedvelő hidrofil fejcsoportot tartalmaznak (amely lehet ionos vagy nemionos), amely egy vízgyűlölő, hidrofób csoporthoz kapcsolódik.

A két inkompatibilis komponens nanométeres skála mikro-fázisú elkülönítése különböző típusú oldószer által kiváltott kiterjesztett anizotróp elrendezést eredményez, a hidrofil és a hidrofób rész közötti térfogatmérlegektől függően. Viszont generálják a fázisok nagy hatótávolságú sorrendjét, az oldószermolekulák kitöltik a vegyületek körüli teret, hogy folyékony legyen a rendszer.

A termotróp folyadékkristályokkal ellentétben a liotróp folyadékkristályoknak ezért további szabadságuk van, vagyis az a koncentráció, amely lehetővé teszi számukra, hogy különböző fázisokat indukáljanak. Az amfifil molekulák koncentrációjának növekedésével az oldatban több különböző típusú lyotrop folyadékkristály szerkezet fordul elő. E különböző típusok mindegyike eltérő mértékben rendelkezik molekuláris rendezettséggel az oldószer mátrixon belül, a gömb micelláktól a nagyobb hengerekig, az összehangolt hengerekig és még a kétrétegű és többfalú aggregátumokig.

A lyotrop rendszerek típusai

Az amfifil vegyületek például a zsírsavak sói, a foszfolipidek . Sok egyszerű amfifilt használnak mosószerként . A szappan és víz keveréke a liotróp folyadékkristályok mindennapi példája.

Az olyan biológiai struktúrák, mint a rostos fehérjék, amelyek viszonylag hosszú és jól meghatározott hidrofób és hidrofil "blokkokat" mutatnak az aminosavakból , szintén mutathatnak liotróp folyadékkristályos viselkedést.

Amphiphile önszerelés

Egy tipikus amfifil rugalmas felületaktív anyag aggregátumokat képezhet egy önszerveződési folyamat során, amely az amfifil mezogén és a nem mezogén oldószer molekulái közötti specifikus kölcsönhatások eredménye.

Vizes közegben az aggregáció hajtóereje a " hidrofób hatás ". Az amfifil molekulák által képzett aggregátumokat olyan szerkezetek jellemzik, amelyekben a hidrofil fejcsoportok vizes oldatnak teszik ki felületüket, és védik a hidrofób láncokat a vízzel való érintkezéstől.

A legtöbb lyotrop rendszerben az aggregáció csak akkor következik be, ha az amfifil koncentrációja meghaladja a kritikus koncentrációt (más néven kritikus micellakoncentráció (CMC) vagy kritikus aggregációs koncentráció (CAC) ).

Nagyon alacsony amfifilkoncentráció esetén a molekulák véletlenszerűen szétszóródnak, minden rendezés nélkül. Kicsit magasabb (de még mindig alacsony) koncentrációban, a CMC felett az önmagában összeszerelt amfifil-aggregátumok független entitásokként léteznek egyensúlyban a monomer amfifilekkel oldatban, de nincs hosszú távú orientációs vagy helyzeti (transzlációs) sorrendjük. Ennek eredményeként a fázisok izotrópok (azaz nem folyékony kristályosak). Ezeket a diszperziókat általában „ micelláris oldatoknak ” nevezik, amelyeket gyakran L 1 szimbólummal jelölnek , míg a gömb alakú aggregátumokat „ micellák ” néven ismerik .

Nagyobb koncentráció esetén a szerelvények rendezetté válnak. Valódi lyotrop folyadékkristályos fázisok képződnek, amikor az amfifil koncentrációja a vízben meghaladja azt a pontot, ahol a micelláris aggregátumokat rendszeresen az űrbe kell helyezni. Az egyetlen szénhidrogénláncból álló amfifilek esetében az első folyadékkristályos fázisok képződési koncentrációja jellemzően 25-30 tömeg%.

Folyadékkristályos fázisok és összetétel/hőmérséklet

A legegyszerűbb folyadékkristályos fázis, amelyet gömb alakú micellák alkotnak, a „ micelláris köbös ”, amelyet az I 1 szimbólum jelöl . Ez egy nagyon viszkózus, optikailag izotróp fázis, amelyben a micellák köbös rácson helyezkednek el. Nagyobb amfifilkoncentrációk esetén a micellák összeolvadnak, és határozatlan hosszúságú hengeres aggregátumokat képeznek, és ezek a hengerek egy hosszú távú hatszögletű rácson helyezkednek el. Ezt a liotróp folyadékkristályos fázist „ hatszögletű fázisként ” vagy pontosabban „ normál topológiájú ” hatszögletű fázisként ismerik, és általában H I szimbólummal jelölik .

Magasabb amfifilkoncentrációnál a „ lamelláris fázis ” képződik. Ezt a fázist L α szimbólum jelöli, és egy szmektikus A mezofázis lyotróp megfelelőjének tekinthető. Ez a fázis kétrétegű lapokban elrendezett amfifil molekulákból áll, amelyeket vízrétegek választanak el. Minden kétréteg a lipidek sejtmembránokban való elrendezésének prototípusa .

A legtöbb amfifil esetében, amelyek egyetlen szénhidrogénláncból állnak, egy vagy több, összetett felépítésű fázis keletkezik olyan koncentrációban, amely közbenső a hatszögletű fázis kialakításához szükséges és a lamelláris fázis kialakulásához vezető fázisok között. Gyakran ez a közbülső fázis egy kétfolyamatos köbös fázis .

Lyotropic1.jpg
Az amfifilek micellákká, majd liotróp folyadékkristályos fázisokká való aggregációját bemutató sematikus ábra az amfifilkoncentráció és a hőmérséklet függvényében.

Elvben az amfifilkoncentrációnak a lamelláris fázisok képződési pontján túl történő növelése az inverz topológiájú liotróp fázisok kialakulásához vezetne , nevezetesen az inverz köbös fázisokhoz, az inverz hatszögletű oszlopos fázishoz (amfifilekkel bezárt vízoszlopok, (H II )) és az inverz micelláris köbös fázis (ömlesztett folyadékkristályos minta gömb alakú vízüregekkel). A gyakorlatban az inverz topológiai fázisokat könnyebben olyan amfifilek képezik, amelyek legalább két szénhidrogénláncot tartalmaznak egy fejcsoporthoz. emlőssejtek membránjai példák az amfifilekre, amelyek könnyen inverz topológiájú lyotrop fázisokat képeznek.

Még az azonos fázisokon belül is az összeszerelt szerkezetek hangolhatók a koncentráció alapján: Például a lamelláris fázisokban a rétegtávolságok az oldószer térfogatával nőnek. Mivel a lyotrop folyadékkristályok az intermolekuláris kölcsönhatások finom egyensúlyára támaszkodnak, szerkezetük és tulajdonságaik elemzése nehezebb, mint a termotróp folyadékkristályoké.

Az amfifilek által létrehozott tárgyak általában gömb alakúak (mint a micellák esetében), de lehetnek tárcsaszerűek (bicellák), rúdszerűek vagy kéttengelyűek (mindhárom micellatengely megkülönböztethető). Ezek az anizotróp, önállóan összeállított nano-struktúrák majdnem ugyanúgy megrendelhetik magukat, mint a termotróp folyadékkristályok, és minden termotróp fázis nagyméretű változatát képezik (például rúd alakú micellák nematikus fázisát).

Gazdamolekulák

Lehetséges, hogy bizonyos molekulák feloldódnak liotróp mezofázisokban, ahol elsősorban az aggregátumok belsejében, kívül vagy felszínén helyezkedhetnek el.

Néhány ilyen molekula adalékanyagként működik, specifikus tulajdonságokat indukálva az egész fázisra, másokat egyszerű vendégeknek lehet tekinteni, akik korlátozott mértékben befolyásolják a környező környezetet, de valószínűleg erős következményekkel járnak fizikai-kémiai tulajdonságaikra, és néhányukat szondaként használják a teljes mezofázis molekuláris szintű tulajdonságainak kimutatása speciális analitikai technikákkal.

Rúdszerű makromolekulák

A lyotróp kifejezés azokra a folyadékkristályos fázisokra is vonatkozik , amelyeket bizonyos polimer anyagok képeznek, különösen azok, amelyek merev rúdszerű makromolekulákból állnak, ha azokat megfelelő oldószerekkel keverik össze. Ilyenek például a rúdszerű vírusok , például a dohánymozaik-vírus szuszpenziói , valamint az ember alkotta makromolekulák, például a Li 2 Mo 6 Se 6 nanohuzal vagy a nem gömb alakú kolloid részecskék kolloid szuszpenziói. A cellulóz és cellulózszármazékok lyotrop folyadékkristályos fázisokat képeznek, akárcsak a nanokristályos ( nanocellulóz ) szuszpenziók . További példák közé tartozik a DNS és a Kevlar , amelyek kénsavban oldódnak , hogy liotróp fázist kapjanak. Megjegyezzük, hogy ezekben az esetekben az oldószer csökkenti az anyagok olvadáspontját, ezáltal lehetővé teszi a folyékony kristályos fázisok hozzáférését. Ezek a folyadékkristályos fázisok felépítésükben közelebb állnak a termotróp folyadékkristályos fázisokhoz, mint a hagyományos liotróp fázisokhoz. Az amfifil molekulák viselkedésével ellentétben a rúdszerű molekulák liotróp viselkedése nem jár önszereléssel .

Korongszerű makromolekulák / Nanosheets

A liotróp folyadékkristályokra példák is előállíthatók 2D nanolapok használatával. A valódi nematikus fázis legszembetűnőbb példáját sok smektit agyag esetében bizonyították . Az ilyen liotróp fázis létezésének kérdését Langmuir vetette fel 1938 -ban, de nagyon sokáig nyitott kérdés maradt, és csak a közelmúltban nyert megerősítést. A nanotudományok rohamos fejlődésével és sok új anizotróp 2D nanorészecske szintézisével gyorsan megnőtt az ilyen nematikus mezofázisok száma a 2D nanoszámon alapulva, például grafén -oxid kolloid szuszpenziókkal. Megjegyzendő, hogy egy lamellás fázist is felfedeztek, H 3 Sb 3 P 2 O 14 , amely az interlamelláris távolságra ~ 250 nm -ig terjedő hiperduzzadást mutat.


Hivatkozások

  1. ^ a b Báró, M. (2003). "Alacsony moláris tömegű és polimer folyadékkristályokkal kapcsolatos alapvető kifejezések meghatározása (IUPAC ajánlások 2001)". Pure Appl. Chem. 73 (5): 845–895. doi : 10.1351/pac200173050845 . S2CID  95656853 .
  2. ^ Önállóan összeállított szupramolekuláris architektúrák: Lyotropic Liquid Crystals N. Garti, P. Somasundaran, R. Mezzenga, Eds, Wiley 2012 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9781118336632
  3. ^ Lagerwall, Jan PF; Giesselmann, Frank (2006). "Aktuális témák a Smectic folyadékkristály -kutatásban". ChemPhysChem . 7 (1): 20–45. doi : 10.1002/cphc.200500472 . PMID  16404767 .
  4. ^ Qizhen Liang; Pengtao Liu; Cheng Liu; Xigao Jian; Dingyi Hong; Yang Li. (2005). "Ftalazin -egységeket és éterkötéseket tartalmazó lyotrop folyékony kristályos kopoliamidok szintézise és tulajdonságai". Polimer . 46 (16): 6258–6265. doi : 10.1016/j.polimer.2005.05.059 .
  5. ^ Lewis 2006 , 194. o
  6. ^ Lewis 2006 , 191. o
  7. ^ Domenici, Valentina; Marchetti, Alessandro; Cifelli, Mario; Veracini, Carlo Alberto (2009). "Részben orientált L-fenilalanin-d8 dinamikája a CsPFO/H2O Lyotropic rendszerben 2H NMR relaxációs vizsgálatok útján". Langmuir . 25 (23): 13581–13590. doi : 10.1021/la901917m . PMID  19761270 .
  8. ^ Blumstein, Alexandre, szerk. (1985). Folyékony polimer kristályok . Springer USA. doi : 10.1007/978-1-4899-2299-1 . ISBN 978-1-4899-2301-1.
  9. ^ Davidson, Patrick; Gabriel, Jean-Christophe; Levelut, Anne-Marie; Batail, Patrick (1993). "Nematikus folyadékkristályos ásványi polimerek". Fejlett anyagok . 5 (9): 665–668. doi : 10.1002/adma.19930050916 .
  10. ^ Davidson P, Gabriel JP (2003). "Ásványi folyadékkristályok az anizotróp nanoszisztémák összeszereléséből". Top Curr Chem . 226 : 119. doi : 10.1007/b10827 .
  11. ^ Klemm, Dieter; Kramer, Frederike; Moritz, Sebastian; Lindstrom, Tom; Ankerfors, Mikael; Gray, Derek; Dorris, Annie (2011). "Nanocellulóz: a természet alapú anyagok új családja". Angewandte Chemie nemzetközi kiadás . 50 (24): 5438–5466. doi : 10.1002/anie.201001273 . PMID  21598362 .
  12. ^ I. Langmuir (1938). "A vonzó és taszító erők szerepe a taktoidok, tixotróp gélek, fehérjekristályok és koacervátumok kialakulásában". J Chem . Phys . 6 (12): 873. Bibcode : 1938JChPh ... 6..873L . doi : 10.1063/1.1750183 .
  13. ^ Gabriel JC, Sanchez C, Davidson P (1996). "Nematikus folyadékkristályos textúrák megfigyelése szmektit agyagok vizes géljeiben". J. Phys. Chem . 100 (26): 11139. doi : 10.1021/jp961088z .
  14. ^ Paineau E, Philippe AM, Antonova K, Bihannic I, Davidson P, Dozov I, et al. (2013). "Természetes agyag nanolapok vizes szuszpenzióinak folyadékkristályos tulajdonságai". Folyékony kristályok vélemények . 1 (2): 110. doi : 10.1080/21680396.2013.842130 . S2CID  136533412 .
  15. ^ Gabriel JC, Camerel F, Lemaire BJ, Desvaux H, Davidson P, Batail P (2001. október). "Duzzadt folyadékkristályos lamelláris fázis kiterjesztett szilárd anyagú lapok alapján" (PDF) . Természet . 413 (6855): 504–8. Bibcode : 2001Natur.413..504G . doi : 10.1038/35097046 . PMID  11586355 . S2CID  4416985 .
  16. ^ Davidson P, Penisson C, Constantin D, Gabriel JP (2018. június). "Izotróp, nematikus és lamelláris fázisok a nanolapok kolloid szuszpenzióiban" . Az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémiájának közleményei . 115 (26): 6662–6667. Bibcode : 2018PNAS..115.6662D . doi : 10.1073/pnas.1802692115 . PMC  6042086 . PMID  29891691 .

Bibliográfia

  • Laughlin RG (1996). A felületaktív anyagok vizes fázis viselkedése . London: Academic Press . ISBN 0-12-437760-2.
  • Fennell Evans D. és Wennerström H. (1999). A kolloid domén . New York: Wiley VCH . ISBN 0-471-24247-0.
  • Jin, Hyoung-Joon; Park, Jaehyung; Valluzi, Regina; Kim, Ung-Jin; Cebe, Peggy; Kaplan, David L. (2006). "Selyemfehérjék vezérlőegységének biofeldolgozása". Lewis -ban, Randolph V.; Renugopalakrishnan, V. (szerk.). Bionanotechnológia. Fehérje a Nanodevices -hez . Springer. ISBN 978-1-4020-4219-5.