eng
Выпуск #2/2010
А.Козлов, И.Грицкова, С.Гусев, Л.Басырева.
Моделирование упорядоченного монослоя фотонных кристаллов
Моделирование упорядоченного монослоя фотонных кристаллов
Просмотры: 2469
Для получения упорядоченных гексагональных структур, устойчивых к внешним воздействиям, необходимо разработать модель их образования, проанализировав механизмы создания таких структур. Из визуальных наблюдений ясно, что шероховатая поверхность полистирольных мезосфер (ПМ) препятствует образованию плотноупакованной гексагональной структуры. При сближении ПМ при попытке выстроить плотную упаковку силы трения из-за шероховатости увеличиваются.
Ранее были описаны фотонные кристаллы, т.е. структуры самоупорядоченных полимерных микросфер (ПМ) с диаметрами 6 мкм, 20 мкм и 58 мкм, которые предполагаются к применению в инженерной медицине и биотехнологиях. Подобные образования используются в качестве матрикса для внедрения биологических клеток внутрь пустот, образованных в пространственных слоях плотной упорядоченной структуры ПМ. При этом, для создания упорядоченных гексагональных структур, устойчивых к внешним воздействиям, необходим анализ механизмов создания таких структур и создание моделей их образования.
На рис.1 представлена электронная микрофотография элементов упорядоченного монослоя микросфер, изготовленных из полистирола, диаметром 6 мкм.
На фотографии видно, что поверхность микросфер не является гладкой. При этом ясно, что шероховатая поверхность мезосфер препятствует образованию плотноупакованной гексагональной структуры. Из-за шероховатости увеличиваются силы трения при перемещения ПМ при их сближении для выстраивания плотной упаковки. Однако, шероховатость поверхности имеет большую смачиваемость, что увеличивает капиллярное воздействие сил жидкой прослойки (воды, спирта или водно - спиртовой смеси) в пространстве между микросферами. Таким образом, каждая микросфера покрыта жидкой оболочкой, что улучшает возможность их индивидуального движения, как поступательного, так и вращательного, для каждой микросферы, и создает благоприятные условия для плотной упаковки всего ансамбля ПМ.
Для разработки моделей при формировании плотной упаковки ПМ на различных подложках является ответ на вопрос: являются ли сами микросферы твердыми и упругими частицами? Для ответа был проделан следующий эксперимент.
На металлическую фольгу при комнатной температуре из спиртовой суспензии, охлажденной до t = -20оС были нанесены микросферы диаметром 20 мкм. После испарения спирта на фольге остались микросферы, произвольно упакованные в виде мультислоев. Фольга с нанесенными микросферами помещалась на наковальню. Далее по этой структуре был нанесен удар стандартным молотком с силой 30 - 50 кГс. При площади ударной поверхности 4см2, давление на площадку фольги с микросферами составляло 7,5 - 12,5кГс/см2. Наблюдение результатов удара под микроскопом показало, что на поверхности фольги остался только монослой микросфер. Остальные микросферы из-за слабых сил взаимодействия друг с другом разлетелись после удара. После второго удара по оставшимся микросферам под микроскопом наблюдалось два вида структур:
1. микровмятины в фольге, оставшиеся после вминания в нее микросфер, слетевших с поверхности фольги;
2. расположенные на поверхности фольги микроструктуры, в виде правильных кружков, оставшиеся после разрушения микросфер.
Подводя итоги, мы вывели, что микросферы представляют собой твердые элементы.
Данный эксперимент затрагивает более серьезную проблему - адсорбционное взаимодействие микросфер с поверхностью. Он позволяет считать микросферы твердыми шарами с шероховатой поверхностью, подчиняющимися действию классической механики поступательного и вращательного движения упругого тела. Поэтому при взаимодействии с твердыми подложками, например, стеклянными, шары ведут себя как упругие тела, слабо связанными с такими поверхностями. Силы притяжения к поверхности твердых тел (стекло, металл) - это силы Ван-дер-Ваальса. Таким образом для удерживания микросфер на подобных подложках из-за слабости сил притяжения подложку необходимо модифицировать так, чтобы значительно улучшить ее адсорбционные свойства, например, создать избыточный заряд, увеличить шероховатость и т.п.
Для прочного прикрепления упорядоченного монослоя микросфер на поверхности твердого тела должна присутствовать либо склеивающая субстанция, либо модифицированная структура поверхности микросфер и подложки.
Еще одним вопросом моделирования упорядоченных структур полимерных микросфер на различных поверхностях является определение поверхностных концентраций ПМ на подложке при нанесении микросфер из коллоидных растворов.
Для ответа на этот вопрос были созданы суспензии из микросфер диаметром 6 мкм, 20 мкм и 58 мкм в жидкой среде. Масса навесок m =75мг, объем спирта V =500мкл, т.е. концентрация микросфер - 15% (г/мл). Суспензии охлаждались до t = -20оС в течение 2-х суток.
Для отработки модели в качестве подложки было взято предметное стекло при комнатной температуре (t =25оС) и на него была нанесена специальная жидкость V = 500мкл при t =25оС. На поверхность жидкости был нанесен слой микросфер диаметром 6 мкм из 15 % суспензии в 3-х различных вариантах объемов - 30 мкл, 50 мкл и 70 мкл.
Разные объемы требовались для того, чтобы определить пороговые концентрации микросфер, необходимые для получения самоорганизующейся плотноупакованной структуры микросфер на поверхности. Требовалось понять, является ли самоорганизация микросфер пороговым процессом с определенным количеством микросфер, распределенном по фиксированной площади подложки (в нашем случае жидкая поверхность), или процесс образования самоорганизующейся структуры не зависит от площади подложки (и, в частности, от силы ее поверхностного натяжения). Объемы спиртовой суспензии с микросферами для экспериментов были выбраны - 30мкл, 50 мкл и 70 мкл.
Результаты экспериментов при образовании самоупорядоченной гексагональной плотноупакованной структуры приведены на рисунках 2-4.
Структура ПМ рассматривалась под микроскопом с линейным увеличением Г=300*.
Из представленных фотографий видно, что только при нанесении на поверхность жидкой подложки суспензии микросфер с V =70 мкл образуется законченная самоупорядоченная гексагональная плотная упаковка микросфер. Это подтверждает, что процесс упорядочивания связан с качеством подложки.
Сам процесс образования упорядоченной структуры на поверхности представляет собой сложный процесс, сопровождающийся процессами конвекционного перемешивания суспензии и жидкой фазы, оседания микросфер в глубине этой фазы и последующего их всплывания под действием конвекционных потоков. В процессе образования структуры внутри перехода жидкость - стекло наблюдаются линейные агрегированные скопления микросфер, расположенные эквидистантно друг от друга, что свидетельствует о наличие капиллярных волн внутри жидкости. Сам процесс упорядочивания микросфер состоит из двух основных частей:
1. конвекционные процессы в глубине подложки;
2. поверхностные процессы движения и самоорганизации микросфер, вызванные поверхностными капиллярными волнами.
Таким образом, анализ модели создания упорядоченной структуры монослоя фотонных кристаллов, образованных из полимерных микросфер, показывает необходимость создания поверхностных концентраций ПМ выше определенных, пороговых, а также зависимость образования плотной гексагональной структуры ПМ от индивидуальных свойств каждого отдельного элемента структуры (микросферы).
На рис.1 представлена электронная микрофотография элементов упорядоченного монослоя микросфер, изготовленных из полистирола, диаметром 6 мкм.
На фотографии видно, что поверхность микросфер не является гладкой. При этом ясно, что шероховатая поверхность мезосфер препятствует образованию плотноупакованной гексагональной структуры. Из-за шероховатости увеличиваются силы трения при перемещения ПМ при их сближении для выстраивания плотной упаковки. Однако, шероховатость поверхности имеет большую смачиваемость, что увеличивает капиллярное воздействие сил жидкой прослойки (воды, спирта или водно - спиртовой смеси) в пространстве между микросферами. Таким образом, каждая микросфера покрыта жидкой оболочкой, что улучшает возможность их индивидуального движения, как поступательного, так и вращательного, для каждой микросферы, и создает благоприятные условия для плотной упаковки всего ансамбля ПМ.
Для разработки моделей при формировании плотной упаковки ПМ на различных подложках является ответ на вопрос: являются ли сами микросферы твердыми и упругими частицами? Для ответа был проделан следующий эксперимент.
На металлическую фольгу при комнатной температуре из спиртовой суспензии, охлажденной до t = -20оС были нанесены микросферы диаметром 20 мкм. После испарения спирта на фольге остались микросферы, произвольно упакованные в виде мультислоев. Фольга с нанесенными микросферами помещалась на наковальню. Далее по этой структуре был нанесен удар стандартным молотком с силой 30 - 50 кГс. При площади ударной поверхности 4см2, давление на площадку фольги с микросферами составляло 7,5 - 12,5кГс/см2. Наблюдение результатов удара под микроскопом показало, что на поверхности фольги остался только монослой микросфер. Остальные микросферы из-за слабых сил взаимодействия друг с другом разлетелись после удара. После второго удара по оставшимся микросферам под микроскопом наблюдалось два вида структур:
1. микровмятины в фольге, оставшиеся после вминания в нее микросфер, слетевших с поверхности фольги;
2. расположенные на поверхности фольги микроструктуры, в виде правильных кружков, оставшиеся после разрушения микросфер.
Подводя итоги, мы вывели, что микросферы представляют собой твердые элементы.
Данный эксперимент затрагивает более серьезную проблему - адсорбционное взаимодействие микросфер с поверхностью. Он позволяет считать микросферы твердыми шарами с шероховатой поверхностью, подчиняющимися действию классической механики поступательного и вращательного движения упругого тела. Поэтому при взаимодействии с твердыми подложками, например, стеклянными, шары ведут себя как упругие тела, слабо связанными с такими поверхностями. Силы притяжения к поверхности твердых тел (стекло, металл) - это силы Ван-дер-Ваальса. Таким образом для удерживания микросфер на подобных подложках из-за слабости сил притяжения подложку необходимо модифицировать так, чтобы значительно улучшить ее адсорбционные свойства, например, создать избыточный заряд, увеличить шероховатость и т.п.
Для прочного прикрепления упорядоченного монослоя микросфер на поверхности твердого тела должна присутствовать либо склеивающая субстанция, либо модифицированная структура поверхности микросфер и подложки.
Еще одним вопросом моделирования упорядоченных структур полимерных микросфер на различных поверхностях является определение поверхностных концентраций ПМ на подложке при нанесении микросфер из коллоидных растворов.
Для ответа на этот вопрос были созданы суспензии из микросфер диаметром 6 мкм, 20 мкм и 58 мкм в жидкой среде. Масса навесок m =75мг, объем спирта V =500мкл, т.е. концентрация микросфер - 15% (г/мл). Суспензии охлаждались до t = -20оС в течение 2-х суток.
Для отработки модели в качестве подложки было взято предметное стекло при комнатной температуре (t =25оС) и на него была нанесена специальная жидкость V = 500мкл при t =25оС. На поверхность жидкости был нанесен слой микросфер диаметром 6 мкм из 15 % суспензии в 3-х различных вариантах объемов - 30 мкл, 50 мкл и 70 мкл.
Разные объемы требовались для того, чтобы определить пороговые концентрации микросфер, необходимые для получения самоорганизующейся плотноупакованной структуры микросфер на поверхности. Требовалось понять, является ли самоорганизация микросфер пороговым процессом с определенным количеством микросфер, распределенном по фиксированной площади подложки (в нашем случае жидкая поверхность), или процесс образования самоорганизующейся структуры не зависит от площади подложки (и, в частности, от силы ее поверхностного натяжения). Объемы спиртовой суспензии с микросферами для экспериментов были выбраны - 30мкл, 50 мкл и 70 мкл.
Результаты экспериментов при образовании самоупорядоченной гексагональной плотноупакованной структуры приведены на рисунках 2-4.
Структура ПМ рассматривалась под микроскопом с линейным увеличением Г=300*.
Из представленных фотографий видно, что только при нанесении на поверхность жидкой подложки суспензии микросфер с V =70 мкл образуется законченная самоупорядоченная гексагональная плотная упаковка микросфер. Это подтверждает, что процесс упорядочивания связан с качеством подложки.
Сам процесс образования упорядоченной структуры на поверхности представляет собой сложный процесс, сопровождающийся процессами конвекционного перемешивания суспензии и жидкой фазы, оседания микросфер в глубине этой фазы и последующего их всплывания под действием конвекционных потоков. В процессе образования структуры внутри перехода жидкость - стекло наблюдаются линейные агрегированные скопления микросфер, расположенные эквидистантно друг от друга, что свидетельствует о наличие капиллярных волн внутри жидкости. Сам процесс упорядочивания микросфер состоит из двух основных частей:
1. конвекционные процессы в глубине подложки;
2. поверхностные процессы движения и самоорганизации микросфер, вызванные поверхностными капиллярными волнами.
Таким образом, анализ модели создания упорядоченной структуры монослоя фотонных кристаллов, образованных из полимерных микросфер, показывает необходимость создания поверхностных концентраций ПМ выше определенных, пороговых, а также зависимость образования плотной гексагональной структуры ПМ от индивидуальных свойств каждого отдельного элемента структуры (микросферы).
Отзывы читателей
