[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究探讨了干燥过程中粒子聚结如何决定厚胶体二氧化硅层的纳米结构。通过小角X射线散射（SAXS）和受控干燥实验，研究表明，较快的干燥速率抑制聚结，即使在多分散性较低的体系中也能促进晶体有序排列；而较慢的干燥速率则允许形成更大的聚集体，从而破坏有序性。关键发现是，聚结时间与蒸发时间之比而非佩克莱特数（Peclet number）主导了干燥胶体的结构控制。

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.

研究动机与目标

• 理解干燥速率和粒子分散度如何影响厚干燥胶体二氧化硅层的纳米结构。
• 确定粒子自组装是否由布朗运动扩散、对流流动或液相中的聚结驱动。
• 量化聚集体形成对最终层密度和结晶度的影响。
• 评估干燥速率对干燥层整体孔隙率和机械性能的影响。
• 识别在佩克莱特数之外主导干燥胶体结构转变的主导无量纲参数。

提出的方法

• 制备四种具有不同粒子尺寸和多分散度的二氧化硅悬浮液（通过动态光散射和SAXS测定）。
• 在不同蒸发速率下对厚层（毫米量级）进行受控单向干燥，以改变干燥动力学。
• 使用小角X射线散射（SAXS）表征干燥前悬浮液中粒子尺寸、分散度和聚集体结构。
• 通过SAXS和透射电镜（TEM）对干燥后的结构进行分析，评估表面和体相粒子排列（晶体与非晶态）。
• 测量孔隙率，将整体体积分数与干燥速率和粒子分散度相关联。
• 将结构结果与基于聚结动力学和佩克莱特数的理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 干燥速率如何影响厚胶体二氧化硅层的表面和体相纳米结构？
• RQ2 粒子多分散度在决定最终层为非晶态或晶体态方面起什么作用？
• RQ3 干燥过程中的粒子自组装主要由对流和扩散（佩克莱特数）控制，还是由液相中的聚结控制？
• RQ4 聚结时间与蒸发时间之比如何影响最终堆积结构？
• RQ5 聚集体的形成是否能解释在低分散性体系中随着干燥速率增加，从非晶态向晶体有序排列的观察到的转变？

主要发现

• 较快的干燥速率导致更致密、更有序的层，即使在多分散性较低的体系中，整体体积分数也达到约0.65。
• 在多分散性较低的悬浮液（≤15%）中，较快的干燥速率促进了晶体表面排列，这与通常认为缓慢干燥更有利于有序性的预期相反。
• 在高度多分散的悬浮液中，无论干燥速率如何，由于广泛聚结，主要形成非晶态排列。
• 在缓慢干燥过程中形成的大型聚集体破坏了结晶过程，导致整体体积分数降低至约0.53。
• 聚结时间与蒸发时间之比是比佩克莱特数更具预测性的参数，用于预测干燥胶体的结构结果。
• 当通过快速干燥最小化聚结时，晶体有序性可贯穿整个毫米厚的体相层。