导读 反应扩散系统中的化学组织提供了一种生成具有有序形态和结构的材料的策略。可以使用分子或纳米粒子形成周期性结构。材料科学的一个新兴前沿

反应扩散系统中的化学组织提供了一种生成具有有序形态和结构的材料的策略。可以使用分子或纳米粒子形成周期性结构。材料科学的一个新兴前沿旨在结合纳米粒子和分子。在一份关于《科学进展》的新报告中，Amanda J. Ackroyd 和加拿大、匈牙利和的化学、物理和纳米材料科学家团队注意到了溶剂从纤维素纳米晶体 (CNC) 和L-(+)-酒石酸[缩写为 L-(+)-TA] 导致沉淀的相分离，导致富含 CNC 的 L-(+)-TA 环的节律性改变。CNC 丰富的区域保持胆甾醇 结构，而通过径向拉长的束形成的富含 L-(+)-TA 的带扩展了自组织反应扩散系统的知识，并提供了设计自组织材料的策略。

化学组织

自组织和自组装的过程普遍存在于生命物质、地球化学环境、材料科学和工业的非平衡系统中。导致周期性结构的现有实验可分为两组，包括经典的Liesegang 型实验和化学组织通过周期性沉淀产生具有有序形态和结构层次的材料。在这项工作中，Ackroyd 等人。开发了一种溶剂蒸发策略来相分离酒石酸/纤维素纳米晶体 [L-(+)-TA/CNC 或 TA/CNC] 的水溶液，用于随后的沉淀，从而导致富含 CNC 或 CNC-的有节奏的交替耗尽的环状区域。该团队开发了一个动力学模型，该模型在定量上与实验结果一致。这项工作扩展了自组织反应扩散系统的范围，为周期性结构化功能材料铺平了道路。

实验

阿克罗伊德等人。将混合悬浮液作为液滴沉积在载玻片上，并立即将它们放入湿度室中。使用偏光光学显微镜(POM)，他们形成了具有不同 TA/CNC(酒石酸/纤维素纳米晶体)组合物的干燥膜的图像。通过干燥酒石酸溶液形成的薄膜保持具有针状结构的球晶形态。使用干燥 TA/CNC 的图像，该团队注意到从靠近薄膜中心的成核点开始形成环，从该成核点开始周期性地向薄膜边缘径向生长。然后他们表征了薄膜中的环形图案，其中相对湿度的增加，增加了它们的周期值。为了了解周期环形成的增长动态，Ackroyd 等人。记录了液膜水分蒸发的时空模式的演变。他们用共价连接的异硫氰酸荧光素标记 CNC(FITC) 染料，以表征复合膜中交替环的组成。基于 POM(偏振光学显微镜)图像，他们注意到复合膜中富含 CNC 和去除 CNC 的周期带。

表征复合膜。

为了进一步表征复合薄膜，科学家们在相反旋向的圆偏振光的差分透射下获得了光谱。使用扫描电子显微镜，他们获得了富含 CNC 和富含 TA 区域的薄膜横截面图像。为了了解复合膜表面的形貌，他们使用了原子力显微镜. Ackroyd 等人使用高倍率 POM 图像。注意到富含 TA 的区域呈黄色和浅橙色，而富含 CNC 的区域呈红色和绿色。该团队还进行了偏振成像以绘制透射光偏振态的变化。为了实现这一点，他们用 532 nm 线偏振光照射胶片，光偏振状态设置为平行于图像的垂直边缘。基于 POM 和偏振实验，Ackroyd 等人揭示了富含 TA 的环带区域中相对于薄膜化学成分的取向顺序。CNCs 和 TA 形成的结构特征提供了一个有趣的例子，说明复杂的、不平衡的组织，对未来的研究很感兴趣。为了在透射模式下探测 TA/CNC 薄膜，科学家们还使用了小角度 X 射线散射，其中 220 x 50 µm 的 X 射线束尺寸允许扫描整个胶片以使用该技术进行映射。

数值模型

然后，科学家们为相分离 TA/CNC 悬浮液开发了一个动力学模型，该模型通常应用于反应扩散系统。他们使用一组微分方程用两种类型的积木来表示周期性图案形成的动力学。数值模型分解了六种干燥 TA/CNC 悬浮液，包括 (1) 溶解的 TA，(2) 沉淀的 TA 的核，(3) 富含 TA 相中的 TA 晶体和 (4) 悬浮的单个 CNC，(5) TA-CNC 集群，和 6) CNC 丰富阶段。数值模型定性地再现了实验结果，并且该模型预测了边缘图案移动前沿的有限恒定速度。

外表

通过这种方式，Amanda J. Ackroyd 及其同事首次提供了由尺寸相差几个数量级的两个组件形成的周期性环带结构的证据。结果与通过包括“咖啡环”图案在内的其他现象获得的环图案不同。科学家们注意到水从 TA/CNC 悬浮液中蒸发，导致混合物中的 CNC 和 TA 饱和。他们控制复合薄膜的形态通过改变 TA/CNC 悬浮液的成分和相对湿度。根据模拟，该团队指出，周期性环模式不会随着粘度的增加而发生质的变化，因此降低了化合物的扩散系数。他们强调了整个研究中富含 CNC 和富含 TA 的环带区域的不同带结构。这项工作将扩展自组织反应扩散系统的知识，并提供设计自组织材料的策略。