Un cristallo colloidale è un aggregato ordinato di particelle, analogo a un cristallo standard le cui sottounità che si ripetono sono atomi o molecole.Pieranski, P., Contemp. Phys., Colloidal Crystals, Vol.24, p.25 (1983) Un esempio naturale di questo fenomeno può essere trovato nella opale, dove le sfere di silice assumono una impacchettamento compatto localmente come struttura periodica sotto moderata compressione.Sanders, J.V., Structure of Opal, Nature, Vol.204, p.1151, (1964) ; Darragh, P.J., et al., Opal, Scientific American, Vol. 234, p. 84, (1976) Le proprietà di un cristallo colloidale dipendono dalla composizione, dimensione della particella, disposizione dell'impacchettamento, e grado di regolarità. Le applicazioni comprendono la fotonica, lavorazione dei materiali, e lo studio di auto-assemblaggio e transizioni di fase.
Introduzione Un cristallo colloidale è un aggregato altamente ordinato di particelle che possono essere formate in un campo esteso (fino a circa un centimetro). Le aggregazioni di questo tipo sembrano essere analoghe alle loro equivalenti atomiche o molecolari con considerazioni di graduazione propria. Un buon esempio naturale di questo fenomeno può essere trovato nel prezioso opale, dove le regioni brillanti di puro colore spettrale risultano costituite da domini impacchettati compatti di sfere colloidali di diossido di silicio amorfo, SiO2 (vedi sopra illustrazione). Le particelle sferiche precipitano in pozze (pools) fortemente silicee formando aggregati altamente ordinati dopo anni di sedimentazione e compressione sotto forze idrostatiche e gravitazionali. Gli aggregati periodici di particelle sferiche producono simili aggregati di vuoti interstiziali, i quali agiscono come un reticolo di diffrazione naturale per le onde luminose nei cristalli fotonici, specialmente quando la spaziatura interstiziale è dello stesso ordine di grandezza dell'onda di luce incidente. Luck, W. et al., Ber. Busenges Phys. Chem., Vol. 67, p.84 (1963) Hiltner, P.A. and Krieger, I.M., Diffraction of Light by Ordered Suspensions, J. Phys. Chem., Vol.73, p.2306 (1969)
Origini Le origini dei cristalli colloidali risalgono alle proprietà meccaniche della sol di bentonite, e alle proprietà ottiche degli strati di Schiller in sol di ossido di ferro. Si suppone che le proprietà siano dovute all'ordinamento di particelle inorganiche monodisperse. Langmuir, I., The Role of Attractive and Repulsive Forces in the Formation of Tactoids, Thixotropic Gels, Protein Crystals and Coacervates, J. Chem. Phys., Vol.6, p.873 (1938) Esistono in natura colloidi monodispersi, capaci di formare aggregati ordinati a lungo raggio. La scoperta di W.M. Stanley delle forme cristalline dei virus del tabacco e del pomodoro ne forniscono degli esempi. Usando metodi di diffrazione a raggi X, venne successivamente determinato che quando si concentravano centrifugando sospensioni diluite d'acqua, queste particelle virali spesso si auto-organizzano in aggregati altamente ordinati.
Le particelle a forma di bastoncino nel virus del mosaico del tabacco potrebbe formare un reticolo bidimensionale triangolare, mentre una struttura cubica veniva formata dalle particelle quasi sferiche nel virus Bushy Stunt del pomodoro. Bernal. J.D. and Fankuchen, I., X-ray and Crystallographic Studies of Plant Virus Preparations J. Gen. Physiol., Vol.25, p.111 (1941) Nel 1957, una lettera che descrive la scoperta di "un virus di insetto cristallizzabile" venne pubblicata nella rivista Nature. Williams, R.C. and Smith, K., A Crystallizable Insect Virus, Nature (Lond.), Vol. 119, p.4551 (1957) Conosciuto come Virus della Tipula Iridiscente, dagli aggregati sia quadrati che triangolari che si realizzano sulle facce del cristallo, gli autori ne derivano l'impacchettamento compatto con faccia a forma cubica delle particelle virali. Questo tipo di aggregato ordinato è stato anche osservato nelle sospensioni cellulari, dove la simmetria è ben adattata al modo di riproduzione dell'organismo.Watson, J.D., Molecular Biology of the Gene, Benjamin, Inc. (1970) Il contenuto limitato di materiale genetico pone una restrizione alla dimensione della proteina per la sua codificazione. L'uso di un grande numero delle stesse proteine per costruire un guscio protettivo è conforme alla lunghezza limitata di contenuto di RNA o DNA.Stanley, W.M., Crystalline Form of the Tobacco Mosaic Virus, Am. J. Botany, Vol.24, p.59 (1937); Nobel Lecture: The Isolation and Properties of Crystalline TMV (1946)
Si è saputo per molti anni che, a causa delle interazioni repulsive di Coulomb, le macromolecole caricate elettricamente in un ambiente acqueo possono mostrare delle correlazioni di simil-cristallo a lungo raggio essendo spesso le distanze di separazione interparticella considerevolmente maggiori del diametro della singola particella. In tutti i casi che si verificano in natura, la stessa iridescenza viene causata dalla diffrazione e interferenza costruttiva delle onde luminose visibili che ricadono sotto la legge di Bragg.
A causa della rarità e delle proprietà patologiche, né l'opale né qualsiasi virus organico è mai stato molto popolare nei laboratori scientifici. Il numero di esperimenti che esplorano la fisica e la chimica di questi “cristalli colloidali” sono emersi come risultato di metodi semplici evolutisi in 20 anni per preparare colloidi monodispersi sintetici, polimeri e minerali, e, attraverso vari meccanismi, implementando e preservando la loro formazione di ordine a lungo raggio.
Tendenze I cristalli colloidali stanno ricevendo un'attenzione sempre maggiore, dovuta generalmente ai loro meccanismi di ordinamento ed auto-assemblaggio, moto cooperativo, strutture simili a quelle osservate nella materia condensata sia di liquida che di solidi, e transizioni di fase strutturali.Murray, C.A. and Grier, D.G., Colloidal Crystals, Amer. Scientist, Vol.83, p.238 (1995) ; Video Microscopy of Monodisperse Colloidal Systems, Ann. Rev. Phys. Chem., Vol.47, p.421 (1996) ; Microscopic Dynamics of Freezing in Supercooled Colloidal Fluids, J. Chem. Phys., Vol.100, p.9088 (1994) ; (also in Ref. 18-20) L'equilibrio di fase è stato considerato dentro il contesto delle loro similarità fisiche, con appropriata graduazione, ai solidi elastici. Le osservazioni della distanza di separazione interparticella ha mostrato un decremento della disposizione. Ciò porta a una rivalutazione delle credenze di Langmuir riguardo all'esistenza di una componente attrattiva a lungo raggio nel potenziale interparticella. Russel, W.B., et al., Eds. Colloidal Dispersions (Cambridge University Press, 1989) [vedi copertina]
I cristalli colloidali hanno trovato applicazione in ottica come cristalli fotonici. La fotonica è la scienza della generazione, controllo e rilevamento dei fotoni (pacchetti di luce), particolarmente nel visibile e quasi infrarosso, ma anche estesa all'ultravioletto, infrarosso e lontane porzioni IR dello spettro elettromagnetico. La scienza della fotonica comprende l'emissione, trasmissione, amplificazione, rilevamento, modulazione, e variazione (switching) di onde luminose in un ampio campo di frequenze e lunghezze d'onda. I mezzi fotonici includono componenti elettro-ottici come laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) e fibra ottica. Le applicazioni comprendono telecomunicazioni, elaborazione dell'informazione, illuminazione, spettroscopia, olografia, medicina (chirurgia, correzione della vista, endoscopia), tecnologia militare (missile guidato), agricoltura e robotica.
Le strutture colloidali policristalline sono state identificate come gli elementi di base della scienza dei materiali colloidali submicrometrici.Allman III, R.M., Structural Variations in Colloidal Crystals, M.S. Thesis, UCLA (1983). See Ref.14 in Mangels, J.A. and Messing, G.L., Eds., Forming of Ceramics, Microstructural Control Through Colloidal Consolidation, I.A. Aksay, Advances in Ceramics, Vol.9, p.94, Proc. Amer. Ceramic Soc. (1984)
L'auto-assemblaggio molecolare è stato osservato in vari sistemi biologici e soggiace alla formazione di un'ampia varietà di complesse strutture biologiche. Questo comprende una classe emergente di biomateriali meccanicamente superiore basata sulle caratteristiche microstrutturali e modelli trovati in natura.
Le caratteristiche meccaniche principali e le strutture di ceramiche biologiche, polimeri compositi, elastomeri, e materiali cellulari vengono ad essere rivalutati, con un'enfasi per le strutture e i materiali bioinalati. Gli approcci tradizionali si focalizzano sui metodi di progettazione di materiali biologici usando materiali sintetici convenzionali.Whitesides, G.M., et al., Molecular Self-Assembly and Nanochemistry: A Chemical Strategy for the Synthesis of Nanostructures, Science, Vol. 254, p.1312 (1991) Questi usi sono stati identificati nella sintesi di materiali bioinalati attraverso processi che sono caratteristici di sistemi biologicici che si trovano in natura. Ciò comprende l'auto-assemblaggio su scala nanometrica dei componenti e lo sviluppo di strutture gerarchiche.Aksay, I.A., et al., Self-Assembled Ceramics, Ann. Rev. Phys. Chem., Vol. 51, p.601 (2000)
Teoria e antecedenti L'aggregazione in dispersioni colloidali (o sospensioni stabili) sono state caratterizzate dal grado di attrazione interparticella.Auburt, C., Cannell, D.S., Restructuring of colloidal silica aggregates, Phys. Rev. Lett., Vol.56, p.739 (1986) Per le forti attrazioni relative all'energia termica (data in kT), il moto browniano produce in modo irreversibile strutture a fiocchi (flocculated) con tassi di crescita limitati dal tasso della diffusione della particella. Questo conduce a una descrizione utilizzando tali parametri come il grado di decadimento, ramificazione o dimensionalità frattale. Un modello di crescita reversibile è stato costruito modificando il modello di aggregazione cluster-cluster con un'energia di attrazione inter-particella finita. Witten, T.A. and Sander, L.M., Diffusion-Limited Aggregation, a Kinetic Critical Phenomenon, Phys. Rev. Lett., Vol.47, p.1400 ;Diffusion-limited aggregation, Phys. Rev. Vol.B27, p.5686 (1983)
In sistemi dove le forze di attrazione sono conservate in un qualche grado, un bilanciamento di forze conduce a una separazione di fase in equilibrio, cioè le particelle coesistono con potenziale chimico uguale in due fasi strutturali distinte. Il ruolo della fase ordinata come un solido colloidale elastico è stato evidenziato dalla deformazione elastica (o reversibile) dovuta alla forza di gravità. Questa deformazione può essere quantificata dalla distorsione del parametro di rete, o spaziatura inter-particella. Crandall, R.S., Williams, R., Gravitational Compression of Crystallized Suspensions of Polystyrene Spheres, Science, Vol.198, p.193 (1977)
I reticoli ordinati in modo periodico si comportano come solidi viscoelastici lineari quando sono soggetti a piccole deformazioni meccaniche di ampiezza. Il gruppo di Okano in modo sperimentale collegava i moduli di taglio alla frequenza di modi di taglio inattivo (standing) usando tecniche di risonanza meccanica nel campo dell'ultrasuono (da 40 a 70 kHz). Mitaku, S., et al., Studies of Ordered Monodisperse Latexes, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.17, p.305 (1978) ; Vol.19, p.439 (1980) In esperimenti oscillatori a frequenze più basse (< 40 Hz), sono stati osservati il modo fondamentale di vibrazione come pure ipertoni (o armonici) parziali molto più alti di frequenza. Strutturalmente, la maggior parte dei sistemi mostra una chiara instabilità verso la formazione di domini periodici di ordine relativi a corto raggio. Su una ampiezza critica di oscillazione, la deformazione plastica è il modo primario di riordinamento strutturale. Russel, W.B., et al., JCIS, Vol.83, p.163 (1981)