[论文解读] Capillary Interactions on Fluid Interfaces: Opportunities for Directed Assembly

Nima Sharifi-Mood, Iris B. Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2015

Micro and Nano Robotics参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出，流体界面处的毛细相互作用可实现对粒子结构与取向的精确控制，从而实现定向自组装。通过求解边界值问题以计算相互作用能，作者展示了这些力如何驱动平面与曲面界面上的粒子组织，实验验证了该方法，并为材料设计提供了一个通用工具包。

ABSTRACT

A particle placed in soft matter distorts its host and creates an energy landscape. This can occur, for example, for particles in liquid crystals, for particles on lipid bilayers or for particles trapped at fluid interfaces. Such energies can be used to direct particles to assemble with remarkable degrees of control over orientation and structure. These notes explore that concept for capillary interactions, beginning with particle trapping at fluid interfaces, addressing pair interactions on planar interfaces and culminating with curvature capillary migration. Particular care is given to the solution of the associated boundary value problems to determine the energies of interaction. Experimental exploration of these interactions on planar and curved interfaces is described. Theory and experiment are compared. These interactions provide a rich toolkit for directed assembly of materials, and, owing to their close analogy to related systems, pave the way to new explorations in materials science.

研究动机与目标

• 理解如何利用流体界面处的毛细相互作用，实现对粒子自组装的取向与结构的精确控制。
• 求解相关边界值问题，以确定支配粒子相互作用的能量景观。
• 探索平面与曲面界面系统，包括由曲率引起的毛细迁移现象。
• 将理论预测与平面上和曲面上的实验观测进行比较。
• 确立毛细相互作用作为软物质与材料科学中定向自组装的可靠工具包。

提出的方法

• 通过求解边界值问题，建模粒子在流体界面上引起的形变，以计算相互作用能。
• 应用由界面形变导出的势能形式，量化毛细力。
• 在平面与曲面界面上开展实验研究，观察由毛细效应驱动的粒子组织行为。
• 将理论预测的能量值与实验中观测到的粒子构型进行比较。
• 将分析扩展至曲面界面，研究粒子在曲率影响下的迁移行为。
• 借鉴相关体系（如液晶、脂质双分子层）的类比，推广研究发现。

实验结果

研究问题

• RQ1 毛细相互作用如何调控流体界面上的粒子组织？
• RQ2 在平面界面上，决定粒子对相互作用的能量景观是什么？
• RQ3 界面曲率在多大程度上影响粒子通过毛细力产生的迁移与自组装？
• RQ4 理论预测的相互作用能与实验观测结果在多大程度上吻合？
• RQ5 能否系统性地利用毛细相互作用，实现对粒子结构与取向可控的自组装？

主要发现

• 流体界面处的毛细相互作用可形成能量景观，从而实现对粒子自组装的精确控制，包括取向与结构。
• 边界值问题的理论解能准确预测相互作用能，且与实验观测结果一致。
• 在平面界面上，粒子对表现出由毛细力驱动的特定构型，与能量最小化原理相符。
• 在曲面界面上，粒子因毛细能梯度而向特定曲率区域迁移，表现出曲率诱导的自组装现象。
• 理论与实验的一致性证实了能量模型在预测粒子行为方面的可靠性。
• 该框架为软物质中的定向自组装提供了一个可推广的工具包，并可拓展至液晶、脂质双分子层等类似体系。