通用的非對稱范德華相互作用設(shè)計方法可以通過自下而上的工程擴(kuò)展材料開發(fā)的范圍流程。在一項新的研究中，HA Fuster和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，美國威斯康星大學(xué)和美國紐約康奈爾大學(xué)的化學(xué)與生物工程和數(shù)學(xué)研究團(tuán)隊演示了液晶聚合法(范)華爾互動。他們使用動力學(xué)控制的探針膠體吸附過程進(jìn)行了實驗，并進(jìn)行了補(bǔ)充計算，以表明LC排序可以對微粒表面上的范德華相互作用進(jìn)行編程。他們通過局限地設(shè)計了多種LC配置，以提供新鮮的想法，以便對范德華相互作用進(jìn)行編程，以組裝軟物質(zhì)。結(jié)果現(xiàn)已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

顆粒組裝成團(tuán)簇和網(wǎng)絡(luò)是形成各種形式的軟物質(zhì)的基礎(chǔ)，包括泡沫，乳液和薄膜涂層。盡管過去的大多數(shù)研究都集中在通過粒子間相互作用形成的材料上，但最近的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向通過自下而上的編碼各向異性粒子間相互作用的顆粒組裝來設(shè)計軟材料。范德華相互作用在所有粒子系統(tǒng)中無處不在，代表了另一種有前途的編程軟物質(zhì)組裝的方法。在這份報告中，F(xiàn)uster等人探索了一種方法，該方法基于從液晶(LC)合成聚合物微粒來控制微粒系統(tǒng)中范德華相互作用的對稱性。他們描述了組成均勻且球形的聚合物微粒如何具有明確定義的取向順序模式，以編碼具有復(fù)雜對稱性的范德華相互作用。

限制在微尺度域內(nèi)的液晶(LC)的操縱。

該團(tuán)隊聚合了制備為水包油乳液的LC(液晶)微滴，以證明內(nèi)部取向順序如何調(diào)節(jié)微粒表面范德華相互作用的空間變化。他們用微米級的聚苯乙烯(PS)膠體探測了這些相互作用。范德華相互作用共同包括偶極-偶極(Keesom)，偶極-誘導(dǎo)的偶極(Keesom)，偶極-誘導(dǎo)的偶極(Debye)和瞬時偶極-誘導(dǎo)的偶極(倫敦)相互作用?？梢允褂肔ifshitz理論計算相互作用通過低頻和高頻成分的介電響應(yīng)函數(shù)相對于構(gòu)成材料。Fuster等人使用LC合成具有所需內(nèi)部定向順序的微粒，并使用該內(nèi)部配置對范德華相互作用的復(fù)雜但可預(yù)測的空間模式進(jìn)行編程。結(jié)果和計算表明，LC如何為程序范德華相互作用的通用方法提供基礎(chǔ)，類似于材料科學(xué)中傳統(tǒng)的自下而上的裝配過程。

先前的研究報道了微滴中LC的組織結(jié)構(gòu)非常多樣化，包括手性由有機(jī)相和水相形成的非手性液相色譜。該團(tuán)隊首先在這項工作中檢查了由幾種不同化學(xué)混合物形成的非手性LC，其中這些化合物具有各向異性的介電響應(yīng)功能。然后，研究小組將LC混合物分散到甘油中，形成了具有雙極性構(gòu)型的微米級LC液滴。聚合物微粒保留了LC液滴的雙極性構(gòu)型，光聚合后由它們形成，如明場和偏振光顯微照片所證實。然后，科學(xué)家通過在這種微粒表面上可逆吸附聚苯乙烯探針膠體(直徑1 µm)，繪制了聚合雙極性微粒表面范德華相互作用的空間變化。

研究探針膠體和微粒之間的范德華相互作用。

他們解釋了與探針膠體和LC微粒之間的范德華相互作用有關(guān)的實驗觀察結(jié)果。例如，研究小組量化了在鹽水存在下吸附在雙極微粒表面上的探針膠體的分布，在動力學(xué)控制的聚集過程中，該數(shù)量隨時間增加。為了進(jìn)行對照實驗，他們重復(fù)了使用以徑向構(gòu)型聚合的LC(液晶)微粒的方法。根據(jù)這些結(jié)果，F(xiàn)uster等人假設(shè)雙極性微粒上的探針膠體的圖案是通過雙極性微粒中分子的取向順序編碼的范德華相互作用產(chǎn)生的。

然后，研究小組研究了雙極性LC微粒內(nèi)部有序的理論預(yù)測，并計算了其有吸引力的相互作用能。他們指出，探針膠體與雙極微粒之間的范德華相互作用在赤道區(qū)域更強(qiáng)，并且與實驗觀察結(jié)果一致。探針膠體在雙極性微粒附近經(jīng)歷的介電響應(yīng)變化起著很強(qiáng)的錨定能的作用，范德華相互作用對這種表面錨定能特別敏感。

Fuster等。然后研究了探針膠體與聚合的雙極性微粒之間的凈相互作用能，它們是有吸引力的范德華力和排斥雙層相互作用的總和。為了進(jìn)一步支持范德華相互作用可以由LC微粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)編碼的假設(shè)，該小組制備了具有偶極對稱性的LC微粒。他們注意到這些微粒的zeta電位測量結(jié)果與聚合雙極性LC微粒相似。根據(jù)實驗結(jié)果，F(xiàn)uster等人。證實了在微粒內(nèi)控制LC有序化提供了一種在微粒表面上構(gòu)圖范德華相互作用的通用方法。

這樣，HA Fuster和他的同事通過控制內(nèi)部LC的有序化并量化整個LC微粒表面上動力學(xué)控制的膠體吸附來表征編程到微粒中的各向異性范德華相互作用。實驗和支持計算結(jié)果表明，范德華相互作用在整個LC微粒表面的空間變化最大為20 KBT。此大小足以設(shè)計自下而上的組件軟材料?？茖W(xué)家解釋了與LC(液晶)微粒和探針膠體之間的范德華相互作用有關(guān)的實驗觀察結(jié)果。該結(jié)果為將范德華相互作用編程到膠體軟物質(zhì)系統(tǒng)中的通用和簡單方法奠定了基礎(chǔ)，因為科學(xué)家可以改變LC的順序并在一系列實驗幾何形狀中對其進(jìn)行操作。這項研究的原理將適用于一系列軟物質(zhì)現(xiàn)象，包括粘附和潤濕表面，包括形成膠體組件，例如玻璃，晶體和凝膠。