Colloidi precisi con interazioni sintonizzabili per la microscopia confocale

May 01, 2023

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 14635 (2015) Citare questo articolo

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I sistemi colloidali modello studiati con la microscopia confocale hanno portato a numerose conoscenze sulla fisica della materia condensata. Sebbene la microscopia confocale sia uno strumento estremamente potente, richiede un'attenta scelta e preparazione del colloide. Variazioni incontrollate o sconosciute delle dimensioni, della densità e della composizione delle singole particelle e le interazioni tra le particelle, spesso influenzate dal percorso sintetico intrapreso per formarle, portano a difficoltà di interpretazione del comportamento della dispersione. Qui descriviamo la sintesi semplice di particelle di copolimero che possono essere abbinate contemporaneamente all'indice di rifrazione e alla densità con una miscela non plastificante di solventi ad alto dielettrico. Le interazioni tra le particelle vengono accuratamente sintonizzate mediante l'innesto superficiale di spazzole polimeriche utilizzando la polimerizzazione radicale a trasferimento atomico (ATRP), dalla repulsione elettrostatica a lungo raggio o dall'attrazione di cariche miste a forma di sfera dura. Modifichiamo anche la densità di galleggiamento delle particelle alterando il rapporto del copolimero mantenendo al tempo stesso il loro indice di rifrazione corrispondente alla soluzione di sospensione con conseguente sedimentazione ben controllata. La possibilità di regolazione delle interazioni interparticellari, la bassa volatilità dei solventi e la capacità di abbinare simultaneamente sia l'indice di rifrazione che la densità delle particelle al fluido aprono nuove possibilità per esplorare la fisica dei sistemi colloidali.

I sistemi colloidali vengono utilizzati per esplorare la fisica della materia condensata in tempo reale e nello spazio; le osservazioni del comportamento delle particelle colloidali hanno portato a conoscenze senza precedenti su fenomeni diversi come la nucleazione1 e la fusione2 dei cristalli, il trasporto dei difetti3, la formazione del vetro4,5, i fenomeni di bagnatura e capillare6 e l'autoassemblaggio e il legame specifico7. A differenza delle loro controparti atomiche, la struttura, la dinamica e le proprietà meccaniche di queste dispersioni sono accessibili mediante microscopia ottica e diffusione della luce. Tuttavia, i limiti pratici di ciascuna di queste tecniche e la progettazione dei singoli esperimenti rendono essenziale il controllo sulle proprietà fisiche delle particelle costituenti. La microscopia ottica, che rivela la struttura nello spazio reale dei colloidi e la diffusione della luce, che chiarisce la struttura e la dinamica nello spazio reciproco, si basa sul controllo preciso della dimensione e dell'indice di rifrazione delle particelle osservate: poiché la scelta della dimensione delle particelle influenza la le scale relative di tempo e lunghezza disponibili per l'esperimento e l'attenta corrispondenza degli indici di rifrazione delle particelle e del fluido di sospensione riducono al minimo gli effetti delle aberrazioni ottiche e della diffusione multipla. Per studiare l'evoluzione dei campioni su scale temporali lunghe è essenziale che l'evaporazione del solvente sia minima; ciò è particolarmente importante durante le misurazioni reologiche in cui le sospensioni sono esposte all'ambiente. Gli stress gravitazionali, che non possono essere ignorati per le particelle su scala micrometrica, provocano gradienti di densità e sedimentazione che influenzano fortemente le proprietà dei materiali come la velocità di nucleazione dei cristalli8. Questi effetti dannosi della gravità possono essere ridotti al minimo abbinando la densità delle particelle a quella del fluido di sospensione: consentendo così lo studio dell'equilibrio e del comportamento della massa. Tuttavia, può essere auspicabile un disadattamento di densità ben controllato6,9,10, ad esempio quando si modellano strutture cristalline specifiche su una superficie modellata11,12,13.

Oltre alle proprietà fisiche delle singole particelle e del fluido circostante, la struttura e la dinamica delle sospensioni colloidali sono determinate anche dalle forze che le particelle esercitano le une sulle altre14,15,16. L'interazione più semplice tra le particelle solide è quella dell'esclusione del volume; in questo cosiddetto limite della sfera dura, si presume che le particelle siano impenetrabili e il comportamento di fase è governato solo dalla frazione volumetrica delle particelle. Due sistemi sperimentali comunemente usati che mostrano un tale potenziale di interazione con la sfera dura e possono essere abbinati in termini di indice di rifrazione e densità sono le microsfere di poli (metil metacrilato) (PMMA) stabilizzate da un pennello di acido poli (idrossistearico) (PHSA-PMMA) disperso in una miscela di solventi organici a basso dielettrico15,16 e silice stearilata dispersi in fluidi alogenati17. Tuttavia, nonostante la bassa polarità di questi solventi, tracce di impurità ionizzabili disciolte in questi oli possono caricare le superfici delle particelle in modi difficili da prevedere e controllare16,18: confondendo le interazioni altrimenti puramente dure della sfera. Inoltre, il sistema a sfera dura più comunemente utilizzato, PHSA-PMMA, è spesso disperso in miscele fluide in cui uno o più dei suoi componenti gonfiano il polimero che compone le particelle, a volte anche di diverse decine di percentuali. Ci si può aspettare che ciò riduca significativamente la temperatura di transizione vetrosa, ammorbidendo le particelle e modificandone le proprietà nel tempo16. Infine, sebbene questo particolare sistema si sia dimostrato prezioso come sistema modello colloidale, la sua sintesi è notoriamente difficile da riprodurre. Interazioni interparticellari più elaborate possono essere progettate aggiungendo polimeri o tensioattivi al fluido e modificando le superfici delle particelle stesse. Le porzioni ionizzabili o le spazzole polimeriche innestate sulla superficie delle particelle colloidali danno origine a parametri aggiuntivi per controllare il comportamento di fase della sospensione19,20,21,22. Ad esempio, sospensioni di colloidi con carica simile possono organizzarsi in fasi cristalline a bassa densità con simmetrie non accessibili per sfere dure19. Al contrario, miscele di particelle colloidali con cariche opposte possono formare gel colloidali strutturati21,23 e superreticoli cristallini binari24,25. Rimane una sfida sintetizzare particelle colloidali con potenziali di interazione controllabili e proprietà fisiche prevedibili ma flessibili come carica superficiale, indice di rifrazione e densità.