[論文レビュー] Role of particle aggregation on the structure of dried colloidal silica layers

Arnaud Lesaine, Daniel Bonamy+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Photonic Crystals and Applications参考文献 56被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、乾燥中の粒子凝集が厚いコロイドシリカ層のナノ構造をどのように規定するかを調査している。小角X線回折（SAXS）と制御された乾燥実験を用いて、速い乾燥は凝集を抑制し、低多分散性系ですら結晶性配列を促進するのに対し、遅い乾燥は大きな凝集体を形成させ、配列を乱すことが示された。主な発見は、ペクレット数ではなく、凝集時間と蒸発時間の比が、乾燥コロイドにおける構造制御を支配する要因であるということである。

ABSTRACT

The process of colloidal drying gives way to particle self-assembly in numerous elds including photonics or biotechnology. Yet, the mechanisms and conditions driving the nal particle arrangement in dry colloidal layers remain elusive. Here, we examine how the drying rate selects the nanostructure of thick dried layers in four dierent suspensions of silica nanospheres. Depending on particle size and dispersity, either an amorphous arrangement, a crystalline arrangement, or a rate-dependent amorphous-to-crystalline transition occurs at the drying surface. Amorphous arrangements are observed in the two most polydisperse suspensions while crystallinity occurs when dispersity is lower. Counter-intuitively in the latter case, a higher drying rate favors ordering of the particles. To complement these measurements and to take stock of the bulk properties of the layer, tests on the layer porosity were undertaken. For all suspensions studied herein, faster drying yields denser dry layers. Crystalline surface arrangement implies large bulk volume fraction ($\\sim$ 0.65) whereas amorphous arrangements can be observed in layers with either low (down to $\\sim$ 0.53) or high ($\\sim$ 0.65) volume fraction. Lastly, we demonstrate via targeted additional experiments and SAXS measurements, that the packing structure of the layers is mainly driven by the formation of aggregates and their subsequent packing, and not by the competition between Brownian diusion and convection. This highlights that a second dimensionless ratio in addition to the Peclet number should be taken into account, namely the aggregation over evaporation timescale.

研究の動機と目的

• 乾燥速度と粒子分散度が、厚い乾燥コロイドシリカ層のナノ構造に与える影響を理解すること。
• 粒子自己集合が液体相でのブラウン運動、対流、または凝集のどれによって駆動されるかを特定すること。
• 凝集体形成が最終的な層の密度と結晶性をどのように規定するかを定量すること。
• 乾燥速度が乾燥層のボイド率と機械的性質に与える影響を評価すること。
• ペクレット数を超えて、乾燥コロイドにおける構造遷移を支配する主要な次元なしパラメータを同定すること。

提案手法

• 動的光散乱およびSAXSを用いて測定された、異なる粒子サイズと多分散度を有する4種のシリカ懸濁液の調製。
• 乾燥速度を変化させることで乾燥動態を制御した、厚さ数mmの層の単方向乾燥。
• 乾燥前の懸濁液中の粒子サイズ、分散度、凝集体構造を評価するための小角X線回折（SAXS）。
• 乾燥後の構造解析としてSAXSおよびTEMを用い、表面および体積内の粒子配列（結晶性対非晶質）を評価。
• 乾燥速度と粒子分散度との関係を明らかにするために、ボイド率の測定。
• 凝集速度論とペクレット数に基づく理論モデルと、構造的結果を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乾燥速度は、厚いコロイドシリカ層の表面および体積内のナノ構造にどのように影響するか？
• RQ2 粒子多分散度は、最終的な層が非晶質か結晶性かを決定づける要因として果たす役割は何か？
• RQ3 乾燥中の粒子自己集合は、主に対流と拡散（ペクレット数）によって制御されるのではなく、液体相での凝集によって支配されるのか？
• RQ4 凝集時間と蒸発時間の比は、最終的な充填構造にどのように影響するか？
• RQ5 凝集体の形成が、低分散系において乾燥速度の増加に伴い非晶質から結晶性配列へと遷移する現象を説明できるか？

主な発見

• 速い乾燥は、低多分散性系ですら、密度が高く、より秩序ある層（体積分率～0.65）を形成する。
• 低多分散性懸濁液（≤15%）では、速い乾燥が結晶性表面配列を促進するが、これは遅い乾燥が秩序を促進すると予想されるのとは逆の結果である。
• 非常に多分散性の高い懸濁液では、乾燥速度に関わらず、広範な凝集のため、非晶質配列が支配的である。
• 遅い乾燥では、大きな凝集体が形成され、結晶化が妨げられ、体積分率が低くなる（最低～0.53）。
• ペクレット数よりも、凝集時間と蒸発時間の比が、乾燥コロイドにおける構造的結果をより予測可能にするパラメータである。
• 凝集を速い乾燥で最小限に抑えることで、結晶性配列が数mmの厚さの層全体にわたって拡張することができる。