[논문 리뷰] Role of particle aggregation on the structure of dried colloidal silica layers

Arnaud Lesaine, Daniel Bonamy외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 10.

Photonic Crystals and Applications참고 문헌 56인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 두꺼운 콜로이드 실리카 층의 나노구조가 건조 중 입자 응집에 의해 어떻게 결정되는지 조사한다. 소각형 X선 산란(SAXS)과 제어된 건조 실험을 통해 빠른 건조가 응집을 억제하고, 낮은 다분산성 시스템에서도 결정성 배열을 촉진하는 것으로 밝혀졌으며, 반대로 느린 건조는 더 큰 응집체를 형성하여 배열을 방해한다. 주요 발견은 Peclet 수가 아니라 응집 시간과 증발 시간의 비율이 건조 콜로이드에서 구조 제어를 주도한다는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 건조 속도와 입자 분산도가 두꺼운 건조된 콜로이드 실리카 층의 나노구조에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 입자 자가구성은 브라운 운동, 대류 유동, 또는 액체 상에서의 응집 중 어느 것으로 인해 주로 이뤄지는지 규명하기 위해.
• 응집 형성이 최종 층의 밀도와 결정성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 건조 속도가 건조된 층의 부피율 및 기계적 성질에 미치는 영향를 평가하기 위해.
• Peclet 수를 초월해 건조 콜로이드에서의 구조 전이를 지배하는 주요 무차원 매개변수를 특정하기 위해.

제안 방법

• 동적 빛산산도 및 SAXS를 통해 측정한 다양한 입자 크기와 다분산성을 가진 사십 펌프의 준비 (동적 빛산산도 및 SAXS를 통한 측정).
• 다양한 증발 속도로 두꺼운 층(밀리미터 규모)을 단방향으로 제어하여 건조 동역학을 변화시킴.
• 건조 이전에 분산액 내 입자 크기, 분산도 및 응집체 구조를 특성화하기 위해 소각형 X선 산란(SAXS)을 사용.
• 건조 후 구조 분석을 위해 SAXS와 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 표면 및 부피 내 입자 배열(결정성 대 비정질성)을 평가.
• 건조 속도와 입자 분산도에 따라 부피율과 관련된 다공도 측정.
• 응집 동역학과 Peclet 수 기반 이론 모델과의 비교를 통해 구조적 결과 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 건조 속도는 두꺼운 콜로이드 실리카 층의 표면 및 부피 내 나노구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 입자 다분산성이 최종 층이 비정질인지 결정성인지 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 건조 중 입자 자가구성은 주로 대류와 확산(Peclet 수)에 의해 결정되는가, 아니면 액체 상에서의 응집에 의해 결정되는가?
• RQ4 응집 시간과 증발 시간의 비율은 최종 패킹 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 낮은 분산성 시스템에서 건조 속도가 증가함에 따라 비정질에서 결정성 배열로의 전이를 응집 형성이 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 빠른 건조는 낮은 다분산성 시스템에서도 더 조밀하고 더 질서 잡힌 층을 형성하며, 부피율은 약 ~0.65 수준이다.
• 낮은 다분산성 시스템(≤15%)에서는 빠른 건조가 결정성 표면 배열을 촉진하며, 일반적으로 느린 건조가 배열을 유리하게 한다는 기대와는 반대로 행동한다.
• 높은 다분산성 시스템에서는 건조 속도에 관계없이 광범위한 응집으로 인해 비정질 배열이 지배한다.
• 느린 건조 중 큰 응집체가 형성되어 결정화를 방해하며, 이로 인해 부피율이 낮아져 약 ~0.53 수준까지 떨어진다.
• 응집 시간과 증발 시간의 비율은 Peclet 수보다도 건조 콜로이드에서의 구조 결과를 더 잘 예측하는 데 더 중요한 매개변수이다.
• 빠른 건조로 응집을 최소화하면 결정성 배열이 밀리미터 두께의 전체 부피에 걸쳐 확장될 수 있다.