Colóides precisos com interações ajustáveis ​​para microscopia confocal

Oct 07, 2023

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 14635 (2015) Citar este artigo

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Modelos de sistemas coloidais estudados com microscopia confocal levaram a inúmeros insights sobre a física da matéria condensada. Embora a microscopia confocal seja uma ferramenta extremamente poderosa, ela requer uma escolha cuidadosa e preparação do colóide. Variações não controladas ou desconhecidas no tamanho, densidade e composição das partículas individuais e interações entre partículas, muitas vezes influenciadas pela rota sintética tomada para formá-las, levam a dificuldades na interpretação do comportamento da dispersão. Aqui, descrevemos a síntese direta de partículas de copolímero que podem ter índices de refração e densidade combinados simultaneamente a uma mistura não plastificante de solventes altamente dielétricos. As interações entre as partículas são ajustadas com precisão pelo enxerto de superfície de escovas de polímero usando a polimerização radicalar por transferência atômica (ATRP), desde a repulsão eletrostática de longo alcance até a atração de carga mista. Também modificamos a densidade flutuante das partículas alterando a proporção do copolímero enquanto mantemos seu índice de refração correspondente à solução de suspensão, resultando em sedimentação bem controlada. A sintonizabilidade das interações interpartículas, a baixa volatilidade dos solventes e a capacidade de combinar simultaneamente o índice de refração e a densidade das partículas com o fluido abrem novas possibilidades para explorar a física de sistemas coloidais.

Sistemas coloidais são usados ​​para explorar a física da matéria condensada em tempo real e no espaço; observações do comportamento de partículas coloidais levaram a uma visão sem precedentes de fenômenos tão variados como nucleação1 e fusão2 de cristais, transporte de defeitos3, formação de vidro4,5, fenômenos de molhagem e capilares6 e automontagem e ligação específica7. Ao contrário de suas contrapartes atômicas, a estrutura, dinâmica e propriedades mecânicas dessas dispersões são acessíveis por microscopia óptica e dispersão de luz. No entanto, as limitações práticas de cada uma dessas técnicas e o planejamento de experimentos individuais tornam essencial o controle sobre as propriedades físicas das partículas constituintes. A microscopia óptica, que revela a estrutura do espaço real dos colóides e o espalhamento de luz, que elucida a estrutura e a dinâmica no espaço recíproco, depende do controle preciso do tamanho e índice de refração das partículas observadas: como a escolha do tamanho da partícula influencia o as escalas relativas de tempo e comprimento disponíveis para o experimento e a correspondência cuidadosa dos índices de refração das partículas e do fluido em suspensão minimizam os efeitos de aberrações ópticas e espalhamento múltiplo. Para estudar a evolução das amostras em longas escalas de tempo é essencial que a evaporação do solvente seja mínima; isso é particularmente importante durante medições reológicas nas quais as suspensões são expostas ao meio ambiente. Tensões gravitacionais, que não podem ser ignoradas para partículas em escala micrométrica, resultam em gradientes de densidade e sedimentação que afetam fortemente as propriedades do material, como as taxas de nucleação de cristais8. Esses efeitos prejudiciais da gravidade podem ser minimizados combinando a densidade das partículas com a do fluido em suspensão: permitindo assim o estudo do equilíbrio, comportamento do volume. No entanto, uma incompatibilidade de densidade bem controlada pode ser desejável6,9,10, por exemplo, ao modelar estruturas cristalinas específicas em uma superfície padronizada11,12,13.

Além das propriedades físicas das partículas individuais e do fluido circundante, a estrutura e a dinâmica das suspensões coloidais também são determinadas pelas forças que as partículas exercem umas sobre as outras14,15,16. A interação mais simples entre partículas sólidas é a exclusão de volume; neste chamado limite de esfera dura, as partículas são consideradas impenetráveis ​​e o comportamento da fase é governado apenas pela fração de volume da partícula. Dois sistemas experimentais comumente usados ​​que exibem tal potencial de interação de esfera dura e podem ser combinados com índice de refração e densidade são microesferas de poli(metacrilato de metila) (PMMA) estabilizadas por uma escova de poli(ácido hidroxiesteárico) (PHSA-PMMA) disperso em uma mistura de solventes orgânicos de baixa dielétrica15,16 e sílica estearilada dispersa em fluidos halogenados17. No entanto, apesar da baixa polaridade desses solventes, vestígios de impurezas ionizáveis ​​dissolvidas nesses óleos podem carregar as superfícies das partículas de maneiras difíceis de prever e controlar16,18: confundindo interações de esferas puramente duras. Além disso, o sistema de esfera dura mais comumente usado, PHSA-PMMA, é frequentemente disperso em misturas fluidas nas quais um ou mais de seus componentes incham o polímero que compõe as partículas, às vezes em até várias dezenas de por cento. Pode-se esperar que isso reduza significativamente a temperatura de transição vítrea, amolecendo as partículas e alterando suas propriedades ao longo do tempo16. Finalmente, embora este sistema particular tenha se mostrado inestimável como um sistema de modelo coloidal, sua síntese é notoriamente difícil de reproduzir. Interações entre partículas mais elaboradas podem ser projetadas adicionando polímeros ou surfactantes ao fluido e modificando as superfícies das próprias partículas. Porções ionizáveis ​​ou escovas de polímero enxertadas na superfície de partículas coloidais dão origem a parâmetros adicionais para controlar o comportamento de fase da suspensão19,20,21,22. Por exemplo, suspensões de colóides com carga semelhante podem se organizar em fases cristalinas de baixa densidade com simetrias não acessíveis para esferas duras19. Em contraste, misturas de partículas coloidais com cargas opostas podem formar géis coloidais estruturados21,23 e superredes cristalinas binárias24,25. Continua sendo um desafio sintetizar partículas coloidais com potenciais de interação controláveis ​​e propriedades físicas previsíveis, mas flexíveis, como carga superficial, índice de refração e densidade.