Nowa technika wykorzystująca światło monochromatyczne usprawnia badanie struktur wewnętrznych materiałów pod wpływem rozpraszania światła, umożliwiając szczegółową obserwację stężeń cząstek.
Podczas jazdy przez mgłę reflektory samochodowe są jedynie umiarkowanie pomocne, ponieważ światło jest rozpraszane przez cząsteczki wody zawieszone w powietrzu. Podobna sytuacja ma miejsce, gdy próbujemy obserwować w białym świetle wnętrze kropli mleka w wodzie lub wewnętrzną strukturę opalowego klejnotu. W takich przypadkach wielokrotne efekty rozpraszania światła uniemożliwiają zbadanie wnętrza.
Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji (JGU) i Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie (HHU) przezwyciężył to wyzwanie i opracował nową metodę badania wnętrza krystalicznej kropli.
Oświetlenie monochromatyczne rzuca światło na problem
Kiedy dodasz kroplę atramentu do wody, wszyscy znamy rezultat: cząsteczki atramentu będą stopniowo rozpraszać się w wyniku prostej dyfuzji. Jednak niekoniecznie jest tak samo, jeśli weźmie się pod uwagę kroplę składającą się z cząstek, które silnie się odpychają. Istnieje kilka symulacji dla niektórych raczej egzotycznych materiałów, takich jak kurz[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>plasma, which – like the matter that makes up the sun – consists of repulsive particles. Predictions for drops made of repelling particles suspended in a liquid have been missing. Also, experimentally, all attempts to measure the three-dimensional behavior of such a drop have proved futile.
However, researchers have now developed a method using very simple lab tools that can be used for investigation in cases where white light cannot penetrate, and the use of X-ray would not be expedient. Their approach exploits the fact that the color of multiply scattered light depends on the local concentration of particles. This effect is even enhanced when the material is crystalline. Thus, regions of different particle concentrations will appear in different colors.
In principle, concentrated regions shimmer in bright blue; others, where the particles are further apart, exhibit a reddish hue. Illuminating the drop with white light, which is a mixture of different wavelengths, all colors are scattered simultaneously, and it is practically impossible to determine the exact origin of each color within the overall turbid and whitish drop.
“We overcame this difficulty by consecutively illuminating the drops with different monochromatic light, i.e., light of individual wavelengths,” explained Professor Palberg from JGU. For each wavelength, multiple scattering only occurred in regions of suitable particle concentration, while the rest of the drop became transparent for this wavelength.
“Thus, we are able to see where exactly the red or the blue light was scattered from deep inside the drop,” Palberg added. “Using our technique, we now can – with a high degree of spatial and temporal resolution – examine the density profile of crystalline, turbid drops and even that of other cloudy media.” For instance, this method could be useful for analyzing the concentration gradients of sedimenting slurries or determining the degree of homogenization obtained when stirring paint diluted with solvent.
Powstawanie krystalicznej kropli zawiesiny koloidalnej obserwowane przez 20 sekund od momentu dodania do łaźni wodnej. Monochromatyczne światło o długości fali 611 nanometrów sprawia, że powłoka o dobrze określonym stężeniu cząstek wygląda na szkarłatno-czerwoną głęboko wewnątrz kropli. Źródło: Marcus Witt / JGU
Opalizująca kropla krystalicznej zawiesiny koloidalnej pod oświetleniem białym światłem. Podczas ekspansji do otaczającej wody kropla topi się na swoim zewnętrznym brzegu, a stopiony materiał gromadzi się w warstwie na dnie komórki. Źródło: Josefine von Puttkamer-Luerssen / JGU
Opalizująca kropla krystalicznej zawiesiny koloidalnej pod oświetleniem białym światłem. Podczas ekspansji do otaczającej wody przezroczysta krystaliczna warstwa otacza mętny obszar rdzenia. Jakiekolwiek spojrzenie w głąb siebie jest zablokowane. Źródło: Johannes AB Wagner / JGU
Złożony profil ekspansji kropli krystalicznych
W swoim najnowszym artykule opublikowanym w czasopiśmie Miękka materianaukowcy zastosowali swoją nową metodę do badania kropli zawiesiny składającej się z jednakowo naładowanych, a zatem odpychających się, małych polimerowych kulek zawieszonych w wodzie. Początkowo cząstki te oddziałują na tyle silnie, że nierozcieńczona zawiesina tworzy materiał polikrystaliczny. Taka zawiesina ma bardzo podobny wygląd do opalu klejnotowego i wykazuje bardzo silne wielokrotne rozpraszanie. Jednak gdy tylko kropla zostanie umieszczona w wodzie, zaczyna się rozszerzać.
„Dzięki tej pionierskiej pracy udało nam się ustalić, że profil ekspansji tego krystalicznego materiału jest stosunkowo złożony. Nie ma ani stałej ogólnej gęstości z precyzyjnie określoną krawędzią zewnętrzną, ani prostego profilu dyfuzji, jakiego można by się spodziewać po kropli nieodpychających się cząstek w ciekłym ośrodku” – powiedział Palberg. Ponadto początkowo następuje szybkie rozszerzanie się krystalicznej kuli w wyniku wzajemnego odpychania się cząstek, zanim kryształy rozpadną się na krawędzi kropli w wyniku ich rozcieńczenia, a kropla stopniowo zacznie się kurczyć.
Podczas gdy eksperymenty laboratoryjne były przeprowadzane na Uniwersytecie w Moguncji, zespół profesora Hartmuta Löwena w HHU zajmował się teoretycznym modelowaniem profilu gęstości w oparciu o dynamiczną teorię funkcjonału gęstości. „Istniała obiecująca korelacja między wynikami eksperymentów a modelowaniem, co wskazuje na dobrą moc predykcyjną tego rodzaju teorii” – stwierdził Löwen.
W rzeczywistości obliczony profil gęstości pokazał również centralną gęstość maksymalną i radialny gradient gęstości, który z czasem uległ spłaszczeniu. Co ciekawe, nawet czas maksymalnej ekspansji kropli krystalicznej został dokładnie przewidziany. Można stwierdzić, że o wielkości kropli decydują dwa przeciwstawne procesy: kropla stale się rozszerza, a jednocześnie topi się wzdłuż swojego konturu. „Wzajemne oddziaływanie tych dwóch procesów daje scenariusz ekspansji, który różni się pod względem jakościowym od tego, co przewidywano na podstawie modelowania plazmy” – podsumowali naukowcy.
Planują kontynuować badania, systematycznie zmieniając poziom odpychania cząstek, aby dowiedzieć się, jak wpływa to na profil gęstości i dynamikę ekspansji.
Odniesienie: „Dostęp do swobodnej ekspansji krystalicznej kropli koloidalnej za pomocą eksperymentów optycznych”: Marcus U. Witt, GH Philipp Nguyen, Josefine R. von Puttkamer-Luerssen, Can H. Yilderim, Johannes AB Wagner, Ebrahim Malek, Sabrina Juretzka, Jorge L. Meyrelles, Maximilan Hofmann, Hartmut Löwen i Thomas Palberg, 27 sierpnia 2024, Miękka materia.
DOI: 10.1039/D4SM00413B
