Димер что это в электрике: устройство и принцип действия, предназначение и виды

Подключение светодиодной ленты

Через специальные диммеры можно подключать не только лампочки освещения, но и светодиодную ленту или низковольтные Led светильники.

При подключении диммируемых светодиодных ламп с выносным питанием, имейте в виду, что диммер ставится перед драйвером, а не после него.

А вот на Led лентах, в схеме подключения он идет после блока питания на 12-36В.

Модульные диммеры

Помимо комнатных моделей, есть и модульные экземпляры. Они монтируются на дин рейку в электрощиток.

Через них можно управлять освещением в подъезде, лестничной клетке или на улице.

С ними в комплекте идет выносная кнопка или выключатель в виде клавиши. Ее нажатием и удерживанием, происходит регулировка яркости.

На такой диммер уже заводится фаза-ноль, а управляющая кнопка подключается отдельным проводом от него же. Схемы здесь выглядят вот так:

На модульном диммере Hager EVN, порядок подключения следующий. На контакты L и N подается соответственно фаза и ноль.

Выход на лампочку снимается с контакта №4.

Через контакт №3 подается сигнал управления от подключенных клавиш.

А если вы вообще не хотите никаких диммеров и выключателей на стене, но в то же время желаете иметь возможность регулировки яркости освещения? И в этом случае есть выход.

Воспользуйтесь диммером, устанавливаемым непосредственно в монтажную коробку.

Управляется он как с кнопок, так и с пульта.

Заказать себе такой можно здесь. Пульт на него отсюда. А хороший видеообзор на данный девайс посмотреть ниже.

Источники — https://cable.ru, Кабель.РФ

как он работает, принцип работы диммера для светодиодной лампы, для ламп накаливания и для энергосберегающих ламп,

Человек далекий от электричества вряд ли исчерпывающе ответит на вопрос — а что такое диммер? Но сталкиваться с работой этого электрического устройства приходилось многим. Сейчас мы более подробно попытаемся объяснить, что это такое и для чего он нужен.

Диммер — это маленький прибор, который служит для плавной регулировки и отключения света. Обычно он устанавливается вместо стандартного механического переключателя. Итак, давайте более подробно выясним, для чего они нужны.

Вконтакте

Одноклассники

Facebook

Twitter

Мой мир

Назначение

Диммеры делятся на два основных вида — механические и электронные.

Обратите внимание!

 

Механические уже практически не применяются из-за своей низкой функциональности, так как с помощью них осуществляется только плавная регулировка освещения.

Другое дело их электронные многофункциональные аналоги, которые предназначены для решения следующих задач:

1. Регулировка яркости освещения.
2. Имитация присутствия.
3. Возможность автоматического отключения.
4. Несколько режимов затемнения и мигания.
5. Дистанционное управление, в том числе, и голосовыми командами.

На фото диммер для светодиодных ламп 220в

Функции

Таким образом, проанализировав его функциональность, можно понять, что установка диммера позволяет решить вопрос экономии электричества и комфортного уровня освещения, увеличивает срок эксплуатации лампы и даже выполняет охранные функции, имитируя присутствие в доме хозяев путем заданного периодического включения и отключения света, в оставленной на время квартире.

Виды по типу управления

1. Диммеры с модульным управлением. Эти приборы часто устанавливаются в подъездах. Их монтируют в распредщитках и управляют при помощи переносных кнопок или выключателей клавишного типа.
2. Выключатель с диммером, вмонтированный в распределительную коробку. Такой выключатель управляется так же, как и в первом случае клавишным выключателем и переносной кнопкой.
3. Моноблочный диммер. Наиболее применяемый в повсеместной жизни прибор, который монтируется вместо стандартного выключателя.

Диммер с пультом

Подвиды моноблочных диммеров

• Поворотно-нажимные устройства, которые управляются путем нажимания на ручку, а регулировка света осуществляется при помощи ее вращения.
• Клавишные приборы напоминают двойные выключатели. В данном случае выключение происходит путем нажатия на одну половину, а регулирование освещения на другую.
• Поворотные устройства управляются полностью, при помощи поворотных движений ручки. Щелчок означает включение-выключение диммер для ламп накаливания, а дальнейший поворот в сторону часовой стрелки регулирует яркость.
• Сенсорные диммеры по управлению подобны клавишным, но вместо клавиш, управление происходит сенсорами. Одна половина осуществляет переключение, а вторая плавно регулирует освещение.
• Диммеры с дистанционным пультом. Их работа может регулироваться и пультом и вручную.

Простой диммер

Это интересно! Подсветка стен: использование светодиодной ленты, панно и обои с подсветкой

Классификация диммеров по типу осветительных приборов

1. Для галогенных осветительных приборов и ламп накаливания, работающих от сети в 220 В. Достаточно простой по устройству и принципу действия прибор, который увеличивает или уменьшает напряжение и таким образом, регулирует яркость. Недостаток таких устройств в том, что при изменении напряжения меняется спектр излучения и это приводит к изменению световой гаммы на красноватый цвет при минимальном освещении.
2. Для энергосберегающих ламп. Достаточно тяжело регулировать освещение таких видов ламп просто диммером, поэтому для нормальной работы, в дополнение к ним, идут специальные электронные пускатели. Но даже в этом случае, по мнению специалистов, эксплуатационный ресурс лампы снижается примерно на 150 часов. Про работу самого устройства можно сказать то же самое, ведь работа при постоянных перегрузках не увеличивает срок службы любых аппаратов.
3. Регулировка освещенности галогенных ламп низкого напряжения. Из-за присутствия в электросети понижающих трансформаторов, работа этих диммеров отличается некоторыми особенностями. Если применяется понижающий преобразователь обмоточного типа, то нужно устанавливать диммер с маркировкой RL, а если напряжение понижается электронной системой, то покупается прибор с обозначением C. Но лучшим вариантом будет приобретение диммера с уже встроенным понижающим трансформатором.
4. Светодиодные лампы. Диммер для светодиодных ламп 220В регулирует световые параметры не благодаря изменению напряжения, а благодаря регулировке длины импульса частоты тока. Рабочая частота тока, для такого типа ламп, составляет 300 кГц, поэтому при изменении освещенности она не будет мигать.

Дополнительную информацию об устройстве можно посмотреть в видео:

На фото диммер своими руками

Схема подключения

Если вы собираетесь подключить прибор к сети, то схема подключения диммера выглядит практически одинаковой, как и для подсоединения обычного выключателя.

Для начала, отключаем ток и демонтируем старый выключатель из гнезда. После этого начинаем подготовку проводов, подрезая, а затем зачищая концы. Для дальнейшей правильной установки надо выяснить, где находится исходящая и приходящая фаза. Обычно это не составляет труда, так как на маркированных клеммах, фазы указаны с помощью стрелок.

Схема подключения

Определение фазы

Затем нужно будет выяснить, где находится приходящая фаза на проводах к которым был подключен старый выключатель. Это можно сделать при помощи тестера, который при ее определении засветится.

Обратите внимание!

 

Если вы устанавливаете диммер своими руками, то нужно понимать, что определение фазности является самым важным моментом при установке и подключении диммера.

После этого подсоединяем эти два провода к соответствующим клеммам. На завершающей стадии вставляем устройство в коробку и фиксируем его при помощи усиков и болтов. Затем надеваем рамку и проверяем наш прибор на работоспособность. Как видно, человек, который хоть раз менял выключатель, без труда и особых знаний сможет справиться с этой работой.

Диммер для светодиодной ленты

Светодиодная лента

В последнее время, для дизайнерского оформления внутреннего и наружного интерьера применяется диммер для светодиодной ленты. Светодиодная лента представляет собой подложку из диэлектрического материала, на которую устанавливаются светодиоды. На этой подложке нанесены дорожки, проводящие ток, которые защищены специальным покрытием. Такие ленты нашли свое применение в наружной подсветке зданий, а также для декора внутри помещения.

Широкое применение светодиодная лента нашла в автотюнинге, световом оформлении мебельного интерьера и рекламных конструкциях. По степени защищенности их можно разделить на два типа. Первые с обычной защитой, применяемые для внутренней подсветки помещений. Вторые влагостойкие, используются для внешнего декора и в оформлении бассейнов. Самостоятельное подключение светодиодной ленты нужно производить при наличии определенных навыков и знаний. При отсутствии таковых нужно воспользоваться услугами специалистов.

Что такое диммер видео:

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Мой мир

Видите неточности, неполную или неверную информацию? Знаете, как сделать статью лучше?

Хотите предложить для публикации фотографии по теме?

Пожалуйста, помогите нам сделать сайт лучше! Оставьте сообщение и свои контакты в комментариях — мы свяжемся с Вами и вместе сделаем публикацию лучше!

Все варианты схем подключения диммера или светорегулятора освещения

Диммеры или светорегуляторы служат для плавной регулировки уровня  яркости искусственного освещения, так же они обладают практически все возможностью включения/выключения. В этой статье Мы поговорим о  моделях и схемах их подключения, подходящих только  для светильников и люстр с галогенными или лампами накаливания.

Внимание! Диммеры обычной конструкции не способны регулировать светодиодные или люминесцентные энергосберегающие лампы. Не вздумайте их установить, потому что все чего Вы добьетесь- это сокращение в десятки раз срока  службы этих видов ламп.  Но при желании, используя специальные энергосберегающие лампы и диммеры Вы сможете добиться регулировки их яркости. Подробнее об этом читайте в нашей следующей статье.

Сегодня продается очень много различных моделей  светорегуляторов для ламп накаливания и галогенных. Некоторые из них обладают дополнительными возможностями по управлению освещением:

• С функцией задания программы времени включения, выключения и т. д.
• Подключение и управление при помощи системы «умный дом».
• Плавное отключение ламп.
• Дистанционное управление при помощи пульта.
• Управление голосом, хлопком и т. п.

Рекомендую перед покупкой определится- какие функции нужны именно Вам, за лишнее- не стоит переплачивать.
И особенно необходимо перед началом электромонтажных работ определится, как и из каких мест Вы хотите в вашем помещении управлять освещением. Исходя из этого уже необходимо будет проложить затем электрические кабели для осуществления Вами задуманной схемы.

Схемы подключения диммера.

Далее Мы рассмотрим всевозможные схемы организации управления освещением в комнате вашего дома или квартиры. Начиная с самых простейших и заканчивая сложными, позволяющие регулировать и управлять включением галогенных или ламп накаливания из разных мест вашего помещения.

В принципе все это осуществить своими руками будет под силу практически любому мужчине. Главное необходимо всегда отключить  напряжение с того участка  электропроводки дома  или квартиры, где Вы будите работать. И убедится в отсутствие фазы при помощи индикаторной отвертки.

Принципиальная схема подключения диммера.

Начнем с самой распространенной и простой схемы, состоящей из одного диммера и одной или нескольких ламп, подключенных к нему последовательно. Только помните, что диммер ставится только в разрыв фазного провода (обозначается L), а не нулевого (N).

Для подключения необходимо электрический провод, приходящий с распределительной коробки подключить на клемму «L со стрелочкой вверх», а второй провод на- обозначение «~ со стрелочкой под наклоном».

Это самая простая схема, которая при необходимости позволяет быстро заменить обыкновенный выключатель на диммер.

Схема № 2 светорегулятор с выключателем.

Нередко применяется немного более сложная, но очень удобная схема с обыкновенным выключателем, который подключается в разрыв фазного провода перед диммером.

Часто данный тип применяется в спальных комнатах. Очень удобно, когда выключатель установлен возле двери, а светорегулятор возле кровати. Что позволяет не вставая с кровати- регулировать яркость и включать- выключать искусственный свет.  А при выходе из комнаты Вы сможете выключить освещение и включить его обратно при возвращении с тем же уровнем яркости, что и был установлен.

Схема № 3 с двумя диммерами.

При необходимости Вы сможете легко установить и подключить в двух разных местах комнаты светорегуляторы, которые будут управлять одним светильником или люстрой.

Для осуществления данного способа- необходимо что бы в одну распределительную коробку приходило по три провода от каждого места установки.

Схема подключения проста первые и вторые контакты обоих светорегуляторов соответственно соединяются перемычками. А далее на один третий контакт приходит фаза, а со второго диммера с третьего контакта уходит на светильник.

Я рассказывал согласно обозначений на схеме вверху расположенной, если у Вас обозначения будут отличаться, тогда делайте все принципиально аналогично.

Схема № 4 с двумя проходными выключателями.

Применяется редко, как правило в проходных комнатах и длинных коридорах. Схема позволяет выключать и включать свет  с разных сторон помещения.

Уровень яркости позволяет установить диммер, но если Вы его поставите в выключенное положение, то на коммутацию проходными выключателями лампы реагировать не будут.

Рекомендую прочитать нашу статью: Схема подключения проходных выключателей.

Что нужно знать о диммерах каждому:

1. Многие ошибочно полагают, что диммеры позволяют экономить электроэнергию. На самом минимальном уровне ярости экономия составляет не более 15 процентов. Остальное рассеивается светорегулятором.
2. Диммеры из-за возможности перегрева не должны эксплуатироваться при температурах окружающей среды выше 27 градусов.
3. Минимальная подключенная нагрузка должна быть не менее 40 Ватт. В противном случае значительно сокращается срок службы.
4. Применяйте диммеры только по назначению и для регулирования типов устройств, указанных в техническом паспорте.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Влияние электрических полей на образование коллоидных димеров

Исследователи из США изучали сборку геометрически анизотропных частиц, направленную электрическим полем.

СЭМ-изображение коллоидных димеров, использованных в исследовании.

Исследования частиц микронного размера с изотропными взаимодействиями — по сути, искусственных атомов — значительно обогатили наше фундаментальное понимание материаловедения.Тем не менее, типы структур, которые могут образовывать изотропные частицы, очень ограничены из-за отсутствия направленного взаимодействия между частицами. Подобно реальным атомам и молекулам с направленным взаимодействием, анизотропные частицы потенциально могут собираться в гораздо более широкий диапазон кристаллических массивов и мезоструктур, чем сферические частицы с изотропными взаимодействиями.

Теперь, в новой работе, исследователи из США изучили сборку геометрически анизотропных частиц — коллоидных димеров, направленную электрическим полем.Их работа исследует эффективность, обратимость и потенциальную возможность приложения электрического поля для одновременного управления ориентацией и управления сборкой несферических частиц. Как ориентацию отдельных димеров, так и порядок упаковки группы димеров можно удобно и обратимо настраивать с помощью частоты электрического поля, направления нарастания частоты и концентрации соли. Конкуренция и баланс между гидродинамическим, электрическим и броуновским моментами определяют ориентацию отдельных частиц, в то время как конкуренция между электрогидродинамической силой и диполярным взаимодействием определяет агрегацию выровненных частиц в заданных экспериментальных условиях.

Это исследование показывает перспективность создания трехмерных фотонных кристаллов на основе анизотропных коллоидов и дисплеев, управляемых электрическим полем. Это также формирует фундаментальную основу для понимания сборки более сложных строительных блоков, таких как коллоидные димеры с геометрической и межфазной асимметрией.

Колебательно-электронные свойства внутри / межмолекулярного гетероциклического димера с водородной связью: экспериментальное и теоретическое исследование пиррол-2-карбоксальдегида

Основные моменты

•

Пиррол-2-карбоксальдегид (PCL) может существовать как в мономерном, так и димерные формы с разными оптическими и электрическими откликами.

•

Вибрационные и электрические отклики PCL установили возможность существования димерной (C _d ) формы в твердой фазе и мономерной (C) формы в фазе раствора.

•

Результаты расчетов (геометрические параметры, орбитали естественных связей) и экспериментальных методов (FTIR, комбинационное рассеивание, эмиссия и поглощение) подтвердили существование структур C _d и C.

Abstract

Колебательные и электронные характеристики пиррол-2-карбоксальдегида (PCL) используются для установления существования димерной формы в твердой фазе и мономерной формы в фазе раствора.PCL может существовать как в мономерной, так и в димерной формах. Экспериментальные и расчетные результаты с использованием теории функционала плотности (DFT) (энергия, дипольный момент, энергия Гиббса, FTIR, Раман, УФ-видимая область и электрическая проводимость) подтверждают существование формы димера цис ( C _d ). Анализ орбиталей естественных связей (NBOs) также дает признак сильной межмолекулярной водородной связи (I _er HB) как возможную причину существования C _d в твердой фазе.Различные колебательные моды (ν _NH , ν _CO и т. Д.) Также устанавливают существование мономерной формы ( C ) ПКЛ в фазе его раствора. В твердой фазе перескок протона через I _или HB в пределах C _d подтверждает существование димерной формы PCL.

Ключевые слова

Спектры колебаний

ESI _er PT

Димер

NBOs

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

© 2016 Elsevier B.V. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Влияние внешних электрических полей на кинетику двойного переноса протона в димере муравьиной кислоты

Влияние внешних электрических полей на кинетику двойного переноса протона в димере муравьиной кислоты

Молекулы могут подвергаться воздействию сильных локальных электрических полей порядка 10 ⁸ –10 ¹⁰ В м ^–1 в биологической среде.Исследовано влияние таких полей на константу скорости ( k ) модельной реакции — реакции двойного протонного переноса в димере муравьиной кислоты (FAD). Высота и форма барьера рассчитываются при отсутствии и наличии нескольких статических однородных внешних полей в диапазоне от 5,14 × 10 ⁸ до 5,14 × 10 ⁹ В м ⁻¹ с использованием теории функционала плотности ( DFT / B3LYP) и теории возмущений Меллера – Плессета второго порядка (MP2) в сочетании с базисом Попла 6-311 ++ G ( d , p ).Затем для оценки констант скорости при 25 ° C применяется обычная теория переходного состояния (CTST) с последующей поправкой на туннелирование Вигнера. Обнаружено, что электрические поля, параллельные длинной оси димера (линия, соединяющая два атома углерода), уменьшают нескорректированную высоту барьера и, следовательно, увеличивают исходное значение k . Эти поля также сглаживают поверхность потенциальной энергии вблизи области переходного состояния и, следовательно, уменьшают коэффициент коррекции мультипликативного туннелирования. Конечный результат этих двух противоположных эффектов состоит в том, что поля увеличиваются на k (с поправкой) примерно в раз. 3–4 (DFT – MP2 соответственно) по сравнению с бесполевым k . Напряженность поля ∼3 × 10 ⁹ В м ⁻¹ оказалась достаточной для удвоения константы скорости двойного переноса протона с поправкой на туннелирование при 25 ° C. Напряженность поля аналогичного порядка величины встречается в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ), в микросреде пары оснований ДНК, в активном центре фермента и в полях интенсивного лазерного излучения. Показано, что суммарное (скорректированное на туннелирование) влияние поля на k можно точно описать экспоненциальной зависимостью вида k = a exp ( b E), где a и b — постоянные, а E — напряженность электрического поля.

У вас есть доступ к этой статье

Электрические свойства парилена: как парилен защищает чувствительные элементы

Взаимосвязь между толщиной парилена и электрическими свойствами

Изолирующие свойства париленового покрытия, хотя и определяются его основным составом, увеличиваются с увеличением толщины.Это означает, что, выбрав конкретную толщину парилена, вы можете точно настроить свойства блокировки электричества. Поскольку каждый тип парилена имеет разные диэлектрические свойства, практически для каждого устройства есть подходящий парилен.

Основные свойства парилена определяются как его химическим составом, так и толщиной. Парилен с лучшими общими электрическими свойствами представляет собой исходный состав, парилен N. При добавлении хлора (Cl) в парилены C и D и фтора (F) в парилены F и AF-4 электрические свойства изменяются, как показано на Таблица 1 ниже.

Барьер для проводящего загрязнения

Как упоминалось ранее, париленовые покрытия являются отличным барьером для химикатов и коррозионных соединений. В качестве барьера парилен также блокирует материалы, которые могут привести к короткому замыканию, такие как вода и другие проводящие жидкости, а также проводящие твердые вещества, такие как пыль.

В средах, где мелкие частицы перемещаются или образуются, проникая через корпуса или шасси на электронные узлы, конформное покрытие может значительно повысить надежность этой электроники.Эти мелкие частицы или посторонние предметы (FOD) могут состоять из проводящих и непроводящих материалов.

Многие виды пыли на самом деле являются солями, особенно вблизи морских территорий, где соляные брызги могут распространяться на большие расстояния. Соль, а также влага и электрическое смещение могут привести к электрохимической миграции (ЕСМ) или дендритам. Дендриты — это крошечные металлические структуры, которые могут вызвать короткое замыкание и, возможно, привести к критическим сбоям. Парилен резко снижает риск образования дендритов и повреждений из-за дендритов.

Парилены обеспечивают отличные физические и химические барьеры для проводящих загрязнений. Влага также с трудом проходит через париленовые пленки. Таким образом, остается только электрическое смещение, пока ваша сборка работает в ожидаемых условиях.

Устранение проблем с усами из олова

Многочисленные исследования, проведенные подрядчиками Министерства обороны США, такими как Lockheed Martin и другие, показали, что парилен является отличным барьером, помогающим смягчить проблемы, вызванные оловом и другими металлическими усами.В устройстве, в котором несколько компонентов покрыты париленом, даже если париленовое покрытие на одном элементе устройства не может предотвратить протыкание оловянного уса по мере его роста, крайне маловероятно, что усы смогут проткнуть через еще один слой парилена на элементе рядом с ним, чтобы достичь электропроводящей поверхности и вызвать короткое замыкание.

Оловянные усы привели к критическим сбоям аэрокосмических систем, включая спутники, многие из которых перечислены на веб-сайте НАСА, посвященном проблемам, связанным с оловом и другими металлическими усами.

Из всех оцениваемых типов покрытий только парилен и полиуретаны показали хорошие результаты в снижении риска образования усов олова.

Обертка

Электрические свойства конформного покрытия являются критическим параметром, на который полагаются многие дизайнеры продукции при создании устройств, рассчитанных на длительный срок службы. Без сомнения, парилены являются предпочтительным покрытием, когда нужны химические, физические и электроизоляционные барьеры. VSi Parylene здесь, чтобы помочь с прототипами парилена, услугами по разработке и производству.

Сборка и движение хиральных коллоидных кластеров под действием электрического поля

Хиральность — это фундаментальная концепция, повсеместно представленная в молекулярном мире. Например, небольшие молекулы, такие как аминокислоты, фосфолипиды и сахара, с особой направленностью создают множество биомакромолекул, хиральность которых важна для живых организмов. Хотя правые и левые молекулы идентичны по химическому составу, каталитическая активность (1), фармакологическое воздействие (2, 3), биологическое распознавание (4) и оптический ответ (5) могут сильно отличаться.Распространение хиральной структуры на микроскопические объекты, такие как коллоиды, становится все более желательным по нескольким причинам. Во-первых, хиральное расположение коллоидных частиц может демонстрировать необычно сильные оптические, электрические и магнитные отклики (6⇓⇓⇓ – 10), которые не проявляются ни на уровне отдельных частиц, ни в ахиральных формах. Следовательно, хиральные кластеры могут быть потенциально использованы для создания метаматериалов (11⇓⇓ – 14) с экзотическими свойствами или сенсоров для обнаружения молекул. Во-вторых, хиральные частицы можно удобно охарактеризовать с помощью оптической микроскопии в реальном времени.Как макроскопические аналоги хиральных молекул, они могут быть использованы для изучения фундаментальных вопросов, связанных с кристаллизацией (15) или энантиомерным разделением (16, 17) рацемической смеси. И последнее, но не менее важное: хиральные структуры широко используются микроорганизмами (18, 19) для передвижения в их обычно низких числах Рейнольдса. Искусственные двигатели с подобными структурами (20), которые могут двигаться через жидкости, могут революционизировать многие современные технологии, включая адресную доставку лекарств (21⇓ – 23), манипуляции с клетками (24), миниатюрных хирургов (25) и самосборку надстроек (26). ).Кроме того, управляемое движение концентрированных хиральных коллоидных кластеров также может служить хорошо управляемой системой для изучения коллективного поведения активного вещества (27, 28).

Современные стратегии создания хиральных структур в основном основаны на фото- или электронно-лучевой литографии (29, 30), осаждении под углом (31), химическом травлении (32) или методах создания шаблонов с использованием хиральных молекул, таких как ДНК (33). . Однако природа собирает простые и ахиральные строительные блоки в хиральные структуры с изысканной функциональностью.Несмотря на сложности, такая возможность желательна для эффективного изготовления функциональных материалов. Как показано в нескольких недавних теоретических исследованиях (34–36), частицы с анизотропным взаимодействием потенциально могут предложить привлекательный путь. Здесь мы сообщаем о нашей работе с использованием электрических полей переменного тока (AC) для направления сборки ахиральных строительных блоков, то есть асимметричных коллоидных димеров, в хиральные кластеры. Интересно, что нарушение симметрии в киральных кластерах также приводит к несбалансированному электрогидродинамическому потоку, окружающему их.Они ведут себя как микропропеллеры и вращаются в противоположных направлениях в зависимости от своей руки.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 A , На вставке показаны строительные блоки, которые мы используем в экспериментах. Это синтетические димеры полистирола с асимметричными лепестками (R1 = 1,27 мкм и R2 = 0,89 мкм) (37). Водная суспензия (в деионизированной воде) димеров помещается между верхним и нижним стеклами из оксида индия и олова (ITO), которые разделены зазором ∼100 мкм.Затем к зазору прикладывают электрическое поле переменного тока (более подробную информацию см. В разделе «Материалы и методы , »). Рис. 1 A показывает типичное изображение, где димеры подвергаются действию перпендикулярного электрического поля 11 В _pp /100 мкм и 600 Гц. Напряженность поля достаточно высока, чтобы выровнять некоторые димеры с направлением поля (например, стоящие димеры выделены красными кружками), тогда как другие продолжают лежать на подложке (в синих кружках). Тот факт, что не все димеры совпадают с приложенным полем, можно объяснить притягивающим взаимодействием между димерами и электродом через силу «диполь-изображение-диполь» (37, 38).Однако большая часть изображения заполнена кластерами, собранными из нескольких димеров. На рис. 1 B и C показаны последовательные сканирования z двух таких кластеров. В сочетании с геометрическими параметрами асимметричных димеров эти изображения позволяют реконструировать трехмерные конфигурации обоих кластеров. Каждый из них по существу состоит из четырех димеров, три из которых лежат на подложке, образуя «лепестки». Каждый из лежащих димеров направляет свою небольшую долю к центру и почти касается своих соседей по касательной.Лепестки тесно связаны с центральным димером, который поднимается с субстрата. Такая уникальная упаковка позволяет формировать хиральные кластеры. В зависимости от направления вращения лепестков мы обозначаем тетрамерные кластеры на рис. 1 B и C как правый и левый кластеры соответственно. Ясно, что каждый тетрамер не может быть отображен на его зеркальном отображении посредством плоского вращения и перемещения. Хотя хиральность в первую очередь определяется расположением лежащих димеров, мы также обнаружили, что центральный стоячий димер во всех хиральных кластерах всегда ориентирует свою небольшую долю в сторону субстрата.

Хиральные коллоидные кластеры, собранные из асимметричных димеров под действием переменного электрического поля (размах напряжения Vpp = 11 В, ω = 600 Гц). ( A ) Большое поле зрения хиральных тетрамеров. ( A , Inset ) SEM-изображение, показывающее строительные блоки асимметричного димера. (Масштаб: 5 мкм.) ( B и C ) z сканирование (единица измерения: микрометры, перемещение от нижней подложки) правого и левого хиральных тетрамеров соответственно.

Хиральные кластеры не ограничиваются только тетрамерами. Как показано на рис. 2 A , кластеры с двумя, тремя и четырьмя лепестками также наблюдаются с примерно равным количеством правых и левосторонних. Кластеры все еще могут образовываться, когда количество лепестков увеличивается до пяти и шести, как показано на рис. 2 B . Однако хиральность становится нечеткой. Например, хотя можно наблюдать несколько хиральных кластеров с пятью лепестками, чаще встречаются ахиральные кластеры.Для сравнения: все кластеры с четырьмя или менее лепестками являются хиральными. С шестью лепестками в кластере мы наблюдаем только ахиральные кластеры. Более того, наши сканированные изображения z показывают, что центральный димер в этих кластерах ориентирует свою большую долю в сторону подложки, как показано схемой на рис. 2 B . Хотя мы и раньше наблюдали коллоидные тетрамеры, собранные из сферических частиц (39), эти кластеры по своей природе обладают вращательной симметрией и являются ахиральными. Следовательно, разумно предположить, что наблюдаемая здесь хиральность возникает из-за геометрической асимметрии димерных частиц.На рис. 2 C показаны кластеры, образованные из асимметричных димеров, синтезированных с широким диапазоном соотношений сторон. Неудивительно, что полученные кластеры являются хиральными только для промежуточных значений соотношений сторон. Когда соотношение сторон R2 / R1 приближается к нулю (т. Е. Сфера) или к единице (т. Е. Симметричный димер), хиральность исчезает.

Хиральность зависит как от геометрии, так и от ориентации димеров. ( A ) Хиральные кластеры (тример, тетрамер и пентамер) с увеличивающимся числом лепестков.Центральный димер ориентирует свою небольшую долю в сторону субстрата. ( B ) Хиральные / ахиральные кластеры с пятью и шестью лепестками. Центральный димер ориентирует свою большую долю в сторону субстрата. ( C ) Коллоидные тетрамеры, образованные из димеров с различным соотношением сторон, α = R2 / R1. (Масштабные линейки для A – C : 5 мкм.)

Фундаментальный вопрос, который необходимо решить, заключается в том, что движет сборкой ахиральных строительных блоков (то есть димеров) в хиральные кластеры. Фильм S1 показывает динамическое образование хиральных кластеров.При приложении переменного электрического поля в низкочастотном режиме (200 Гц <ω <2000 Гц) лежащие димеры один за другим притягиваются к центральному стоячему димеру, который немного приподнят от подложки (т. Е. Не в фокусе). . Это первоначальное притяжение на расстоянии, вероятно, вызвано электрогидродинамическим (ЭГД) потоком растворителя (40, 41). Приложенное поле переменного тока индуцирует подвижные заряды около электрода. Индуцированный полем диполь на димере возмущает вертикально приложенное электрическое поле и создает локально касательное поле, которое действует на индуцированные заряды и приводит в движение ЭГД-поток растворителя вдоль электрода.Такой поток, наблюдаемый в сферических коллоидах, часто может вызывать агрегацию частиц (40, 41). Однако один только поток ЭГД обычно вызывает плотноупакованную агрегацию всех частиц, а не хиральные кластеры с хорошо разделенными расстояниями. Как указано в Movie S1, когда три лежащих димера объединяются в кластер, они перестраиваются в уравновешенную хиральную конфигурацию. Учитывая, что димеры поляризованы под действием электрических полей (в первую очередь из-за подвижных ионов, окружающих частицу), окончательная конфигурация кластера, вероятно, контролируется индуцированными дипольными взаимодействиями между димерами.

Таким образом, мы разрабатываем теоретическую модель электростатической энергии коллоидных кластеров в различных конфигурациях, которая может предсказать, является ли конфигурация с минимальной энергией хиральной или ахиральной для данного набора экспериментальных условий. Как показано на рис. S1, для данной конфигурации кластера мы аппроксимируем отдельные лепестки димерных частиц сферами. На димеры действует приложенное электрическое поле E0 (r) = — ∇ψ0 (r). Они окружены растворителем, свойства которого характеризуются диэлектрической проницаемостью ε и длиной Дебая κ − 1.Каждая сфера i с радиусом Ri находится в позиции ri. Поляризуемость сферы i может быть выражена как αi = 4πε0εRi3Ki, где Ki — коэффициент поляризации, который может быть вычислен как аналитически (42), так и численно (43). Две сферы, представляющие доли одного и того же димера, подчиняются геометрическому ограничению фиксированной длины связи L = | ri − rj |. Взаимодействие между димерами и проводящей подложкой учитывается с помощью диполей изображения под электродом. Диполь на сфере i, pi, индуцируется суммой электрических полей, приложенных извне и генерируемых соседними диполями; я.е., pi = αi [E0 (ri) + ∑j ≠ iEind, j (ri)], [1] где Eind, j (r) = T (r − rj) ⋅pj — поле, создаваемое индуцированным диполем Дж . Здесь ядро ​​дипольного поля равно T (r) = (3rr − I) / 4πεε0 | r | 3. Поскольку индуцированные диполи взаимодействуют друг с другом и реагируют на локальные электрические поля, нам необходимо решать их самосогласованно. Для заданного набора пространственных конфигураций частиц индуцированные диполи каждой доли могут быть получены путем решения системы линейных уравнений относительно pi, pi = ∑jAij⋅E0 (rj), [2] где Aij = [αi − 1δij− T (ri − rj) (1 − δij)] — 1 — тензор коллективной поляризуемости для всей системы коллоидных сфер.Пример всех диполей, рассчитанных для хирального тетрамера, показан на рис. S1 C . Хотя они в основном указывают в направлении, антипараллельном приложенному полю (из-за отрицательного коэффициента поляризации), они немного наклонены из-за удара соседних диполей.

После того, как число pi получено, электростатическая энергия Ue для системы димеров может быть записана как Ue ({ri; pi}) = 12 [−∑ipi⋅E0−12∑i ≠ jpi⋅T (ri − rj) pj + 12∑ipi⋅αi − 1⋅pi]. [3] Энергия Ue включает как диполь-приложенное поле, так и диполь-дипольные взаимодействия.Самый внешний фактор 1/2 в уравнении. 3 возникает из-за того, что полная система включает вклады как реальных частиц, так и диполей их изображений. Хотя в принципе могут быть включены другие электростатические (например, экранированные кулоновские) и электрогидродинамические взаимодействия, наша модельная гипотеза состоит в том, что кластерная структура и хиральность доминируют и могут быть объяснены на простейшем уровне с точки зрения индуцированных диполярных взаимодействий, включая эффекты изображения. .

Параметры, использованные в расчетах, соответствуют типичным условиям эксперимента: R1 = 1.27 мкм, R2 = 0,89 мкм, ζ1 = ζ2 = -60 мВ, ε = 78, Erms = 70 В / мм и ω = 1000 Гц. Коэффициент поляризации Ki для частицы i рассчитывается на основе теории низкочастотной тонкой двухслойной поляризации (42). Рис. 3 A показывает два важных геометрических параметра, описывающих структуру хиральных кластеров. h — расстояние между центральным стоячим димером и подложкой, масштабируемое большим диаметром лепестка 2R1, а θ — угол поворота между нижними лепестками и заданной горизонтальной осью.Изменяя h, будет изменяться центральное разделение димер – субстрат. Расстояние между небольшими лепестками в лепестках будет соответствующим образом отрегулировано (рис. 3 A ) с ограничением, что небольшая доля в центральном стоячем димере находится в тангенциальном контакте со всеми другими небольшими лепестками лепестковых димеров. Это подтверждается нашим микроскопическим наблюдением на рис. 1 B и C . Когда h имеет максимальное значение (например, h ∼ 0,57 для R2 / R1 = 0,7), центральный димер поднимается дальше всего от подложки, и все четыре маленьких лепестка образуют плотноупакованный тетраэдр.Угол поворота θ на рис. 3 A характеризует степень хиральности. Любое ненулевое значение θ приведет к хиральности, тогда как максимальное значение θ для данного h соответствует конфигурации, в которой все лепестки плотно упакованы. Как показано на рис. 3 B , варьируя h и θ, мы можем изучить их влияние на электростатическую энергию тетраэдрического кластера и, следовательно, на хиральность. Отметим, что минимальный уровень энергии каждой кривой на рис. 3 B выбран равным нулю.

Электростатическая энергия хиральных и ахиральных кластеров при варьировании геометрических параметров. ( A ) Два параметра, характеризующие конфигурацию кластера. h — расстояние между центральным димером и подложкой; θ — угол поворота лепестка. Для ясности центральный димер не показан. ( B ) Электростатическая энергия тетрамера в зависимости от угла поворота для различных h. Все геометрические параметры и параметры электрического поля в расчете соответствуют типичным условиям эксперимента, показанным на рис.1. См. Подробности в тексте. ( C ) Теоретическая фазовая диаграмма для хиральных кластеров (заштрихованная область, обведенная пунктирными линиями), предсказанная индуцированной электростатической моделью. Красные квадраты и синие треугольники обозначают хиральные и ахиральные кластеры, наблюдаемые в экспериментах, соответственно.

Электростатическая энергия тетрамера чувствительно зависит от θ для данного h. Как показано на рис. 3 B , i , когда h ∼ 0,57, энергия уменьшается как | θ | увеличивается.Когда | θ | достигает ∼45 °, энергия становится минимальной. Дальнейшее увеличение | θ | заставляет энергию быстро подниматься. Он достигает глобального максимума при | θ | ∼60 °, за пределами которого лепестки будут физически перекрываться друг с другом, представляя нереальные конфигурации. Ясно, что рис. 3 B , i предсказывает, что хиральный тетрамер (с углом поворота | θ | ∼45 °) более энергетически выгоден, чем ахиральная конфигурация (с θ = 0 °). Симметрия кривой энергии также указывает на то, что как правые, так и левые тетрамеры могут образовываться с равной вероятностью, что согласуется с экспериментальными наблюдениями.Анализ доминирующего вклада в электростатическую энергию показывает, что хиральность в значительной степени обусловлена ​​внеплоскостным дипольным притяжением между центральным стоящим димером и нижними лепестками. Для данного h с увеличением θ меньшее расстояние между центральным димером и окружающими лепестками приводит к более сильному дипольному притяжению вне плоскости между ними. Однако с увеличением θ лепестки становятся ближе друг к другу. В результате диполярное отталкивание в плоскости между ними увеличится.Следовательно, оптимальный угол поворота лепестка в первую очередь определяется конкуренцией между дипольным притяжением вне плоскости и отталкиванием в плоскости. Подчеркнем, что учет диполей изображения важен в наших расчетах. В противном случае ахиральная конфигурация становится более стабильной. С уменьшением h притяжение ослабевает, а отталкивание усиливается. При h ∼ 0,39 разность энергий ахирального (θ = 0) и кирального кластера исчезает. При еще меньшем h ахиральная конфигурация становится более предпочтительной.Чтобы напрямую сравнить все подзаголовки на рис. 3 B , мы пересчитываем их в абсолютную шкалу энергии, как показано на рис. S2. Ясно, что энергия тетрамера уменьшается по мере удаления центрального димера от подложки. Конфигурация глобального минимума энергии среди всех различных h и θ соответствует хиральному тетрамеру с максимальным подъемом в центральном димере (h ∼ 0,57) и углом хиральности | θ | ∼45 °. Оба результата превосходно согласуются с нашими оптическими характеристиками киральных структур, показанных на рис.1 и измерение угла хиральности, который для тетрамеров составляет ∼48 ° ± 2 °.

Теперь мы расширим наш расчет электростатической энергии на кластеры с различным числом лепестков, от двух до пяти. Для фиксированного числа лепестков, но с изменяющимся h, мы снова обнаруживаем, что конфигурация глобального минимума энергии имеет центральный димер, поднятый на максимальную высоту от подложки, в то время как его небольшая доля поддерживает контакт с другими небольшими лепестками в лепестках. Что касается тетрамеров, это также согласуется с нашими оптическими характеристиками.Как показано на рис. S3, наш расчет также показывает, что хиральная конфигурация более энергетически выгодна как для тримеров, так и для тетрамеров. Модель также предсказывает углы хиральности 60 ° для хиральных тримеров, что хорошо согласуется с нашими экспериментальными измерениями (∼64 ° ± 3 °). Как для пентамеров, так и для гексамеров наша модель предсказывает, что ахиральная конфигурация имеет самую низкую энергию, даже когда центральный стоящий димер ориентирует свою меньшую долю в сторону подложки. Это снова в значительной степени подтверждает наше экспериментальное наблюдение, что большинство хиральных кластеров, наблюдаемых в экспериментах, представляют собой тримеры и тетрамеры.Лишь несколько хиральных пентамеров и гексамеров наблюдаются вблизи частоты перехода (∼2000 Гц), когда кластеры начинают распадаться. Поскольку диполярное отталкивание между лепестками резко возрастает, когда количество лепестков увеличивается, лепестки должны быть отделены друг от друга как можно дальше для большого количества лепестков, что в конечном итоге приводит к ахиральной конфигурации. Стабильность киральных кластеров (то есть разница энергий между киральной и ахиральной конфигурациями) также увеличивается с увеличением напряженности поля, как показано в расчете энергии, показанном на рис.S4. Наше экспериментальное наблюдение также согласуется с расчетом. Фактически, можно постоянно фиксировать хиральные кластеры на подложке, комбинируя электрическое поле переменного тока и короткие импульсы поля постоянного тока (DC), как показано в Movie S1, часть 3.

Как показано на рисунке 2 C , геометрические параметры димеров важны для определения хиральности. Поэтому мы рассчитываем теоретическую фазовую диаграмму киральности на основе нашей модели индуцированных электростатических взаимодействий.Здесь мы характеризуем димер двумя (безразмерными) геометрическими параметрами: аспектным отношением R2 / R1 и длиной связи L / (R1 + R2), где L — межцентровое расстояние между двумя лепестками в димере. Как показано на рис. 3 C , заштрихованный режим, обведенный двумя пунктирными линиями, соответствует пространству параметров, которое способствует образованию хиральных кластеров, согласно нашей теории. Чтобы проверить это предсказание, мы систематически синтезируем более 10 образцов димеров с различными геометрическими параметрами и собираем их в электрических полях.Результаты экспериментов показаны синим и красным символами на рис. 3 C , чтобы представить образование ахиральных и хиральных кластеров, соответственно. Они хорошо согласуются с фазовыми границами, предсказанными нашей теорией, особенно с учетом того, что наша модель учитывает только индуцированные диполярные взаимодействия и эффекты изображения.

Мы подчеркиваем, что димеры в настоящем исследовании обладают только геометрической асимметрией, что также приводит к небольшим различиям в коэффициенте поляризации Ki, но большим различиям в поляризуемости αi между двумя лепестками.Однако они не единственный тип димеров, которые могут образовывать хиральные кластеры. Например, асимметричные димеры, связанные магнитным поясом, могут собираться как в хиральные кластеры, так и в спиральные цепочки из-за конкуренции между магнитными взаимодействиями и стерическими препятствиями (6). Даже если димеры геометрически симметричны, они все равно могут образовывать хиральные кластеры, если они обладают значительной асимметрией в коэффициенте поляризации. Как показано на рис. S5, хиральные тетрамеры более энергетически выгодны, когда одна доля имеет либо незначительный, либо противоположный знак коэффициента поляризации.Такие виды димеров могут быть синтезированы, когда две доли имеют различный химический состав или дзета-потенциалы.

Уникальной особенностью полученных здесь киральных кластеров является то, что они не статичны после сборки: они непрерывно вращаются в плоскости, перпендикулярной приложенному полю переменного тока. Как показано в Movie S2 и рис. 4 A , правые кластеры вращаются против часовой стрелки, а левые кластеры вращаются по часовой стрелке, без исключения. Напротив, ахиральные кластеры не вращаются.Предполагается, что это вращение возникает из-за крутящего момента, создаваемого несбалансированным ЭГД-потоком растворителя, окружающего хиральные кластеры. Известно, что поляризованная частица вблизи электрода возмущает вертикально приложенное поле и создает тангенциальное поле, которое действует на диффузионные ионы и приводит в движение ЭГД-поток растворителя вдоль электрода (40, 41). Для сферической частицы или стоящего димера такой поток является симметричным, и движение частицы не наблюдается в разбавленной суспензии (фильм S3, часть 1).Однако, когда геометрическая симметрия нарушена, например, в случае несимметричного лежащего димера, ЭГД-поток, окружающий частицу, может быть неуравновешенным, что в принципе может вызвать ее движение. В самом деле, это то, что мы наблюдали, как показано траекторией частицы на рис. 4 B и отображено в Movie S3, часть 2.

Вращение киральных кластеров под действием переменного тока. ( A ) Экспериментальные снимки показывают, что правосторонние и левосторонние тетрамеры вращаются в противоположных направлениях ( V _pp = 11 В и 560 Гц).Выделенный димер как пассивная частица-индикатор движется вместе с тетрамером. (Масштаб: 3 мкм.) ( B ) Траектории трех частиц димера (в пределах 18,6 с) с их соответствующими снимками, показывающими как ориентацию частицы, так и направление движения. Зеленый: стоящий димер. Синий и красный: два разных лежащих димера. (Масштаб: 10 мкм.) ( C ) Схема, показывающая, что несбалансированный электрогидродинамический (EHD) поток растворителя вдоль электрода может продвигать индивидуальный асимметричный димер и вызывать вращение хирального кластера.Для наглядности центральный димер в кластере не показан. Прямые стрелки указывают направление потока ЭГД, окружающего димер. ( D ) Корреляция между угловой скоростью Ω0 тетрамера и линейной скоростью U отдельного движущегося димера в одних и тех же экспериментальных условиях. Квадраты, эксперимент; сплошная линия, теория.

Для дальнейшего исследования потока ЭГД, окружающего асимметричный димер, мы намеренно прикрепляем частицу димера к подложке и используем небольшие (500 нм) полистирольные сферы в качестве индикаторов.Как видно из Movie S4, растворитель направлен к меньшей доле, но уходит от большей доли. Асимметричное распределение индикаторных частиц также хорошо видно на рис. 4 B . Такой несбалансированный электрогидродинамический поток заставит димер продвигаться с его меньшей долей, направленной вперед, если он не иммобилизован на подложке, как это наблюдается в Movie S3. Очевидно, что когда асимметричные димеры образуют киральные кластеры, ЭГД-поток также оказывается несбалансированным из-за нарушения киральной симметрии.Как схематично показано на рис. 4 C , поток EHD и результирующая сила сопротивления вдоль каждого лепестка могут создавать результирующий крутящий момент, который детерминированно вращает хиральные кластеры в соответствии с их вращением. Предсказанные направления вращения согласуются с нашим экспериментальным наблюдением. По-видимому, поток ЭГД, окружающий ахиральный кластер, хорошо сбалансирован и не создает чистого крутящего момента. Следовательно, ротации ожидать не следует. Чтобы еще раз доказать нашу гипотезу о том, что нарушенная симметрия в потоке ЭГД, окружающем отдельные димеры, вызывает вращение киральных кластеров, мы измеряем как линейную скорость индивидуально движущегося димера U, так и угловую скорость кирального тетрамера Ω0 в одних и тех же экспериментальных условиях.Рис. 4 D показывает, что две скорости линейно коррелированы. Фактически, теоретически можно оценить наклон. Подробности показаны в SI Text и на рис. S6. Вкратце, крутящий момент T, необходимый для вращения, равен 8πμR3Ω0, где μ — вязкость воды, а R — эффективный радиус кирального кластера, если мы аппроксимируем его сферой. T создается силой сопротивления на каждом лепестке; т.е. T = NFdLa, где N — количество лепестков, Fd = 6πμ (R1 + R2) U — сила сопротивления на одном лепестке, а La — длина плеча, т.е.е. расстояние между центром масс кластера и длинной осью одного лепестка. Следовательно, отношение между Ω0 и U равно Ω0U = 3N (R1 + R2) La4R3. [4] Учитывая размеры лепестков R1 и R2, La можно вычислить геометрически. Уравнение 4 представлен сплошной линией на рис. 4 D с N = 3, R1 = 1,27 мкм, R2 = 0,89 мкм и R∼2R1. Ясно, что это хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Кроме того, двумя характерными чертами скорости ЭГД-потока как нелинейного электрокинетического явления являются ее зависимость от квадрата напряженности приложенного электрического поля и ее отрицательная корреляция с частотой (40).Как показано на рис. S7, обе особенности наблюдаются при экспериментальном измерении угловой скорости хирального кластера.

Следует отметить, что мы получаем рацемическую смесь хиральных кластеров, потому что они имеют одинаковую электростатическую энергию. Однако во многих применениях желательна хиральная чистота. Одна из возможных стратегий — разделить смесь на энантиочистые коллоиды. Поскольку наши кластеры демонстрируют детерминированное вращение на основе ручности, их можно было бы разделить, наложив спиральное поле потока (16) или подложку с хиральным рисунком (44), которая исправляет движение правых и левых кластеров по разным траекториям.Другая стратегия состоит в том, чтобы создать желаемую хиральность во время сборки, тем самым избегая необходимости разделения. Фильм S5 демонстрирует такое доказательство концепции. Изначально правый кластер стабилен на частоте 600 Гц. Когда мы увеличиваем частоту до 1800 Гц, она становится нестабильной, и хиральность колеблется из-за броуновского движения. В момент, когда хиральность переключается на левую, мы быстро уменьшаем частоту обратно до 600 Гц, чтобы она зафиксировалась. Хотя здесь это делается вручную, процесс настройки может выполняться автоматически на основе обработки изображения и петли обратной связи.Путем дальнейшего сочетания этого метода с микрофлюидикой можно было бы создавать хиральные кластеры один за другим с контролируемой ориентацией.

В заключение сообщаем о направленной сборке ахиральных строительных блоков, т. Е. Асимметричных димеров, в семейство хиральных коллоидных кластеров под действием электрических полей переменного тока. Подтвержденные как экспериментальными наблюдениями, так и теоретическими расчетами, основанными на простой модели индуцированных электростатических взаимодействий, включая эффекты изображения поверхности, мы показываем, что киральная конфигурация при соответствующих экспериментальных условиях является энергетически выгодной из-за внеплоскостного дипольного притяжения между центральными димер и окружающие его лепестки.Более того, хиральные кластеры демонстрируют активное вращательное движение в ответ на перпендикулярно приложенное электрическое поле, направление вращения которого полностью определяется хиральностью кластера. Это удивительное движение можно объяснить нарушенной симметрией электрогидродинамического потока растворителя, окружающего эти кластеры. Полученные в нашем исследовании кластеры представляют собой коллоидные молекулы с хиральной симметрией. Их можно использовать в качестве строительных блоков для коллоидных массивов с экзотическими оптическими откликами или в качестве макроскопических аналогов для изучения разделения хиральных молекул.Нарушенная симметрия также может быть использована для создания коллоидных роботов для микромасштабного движения в среде с низким числом Рейнольдса.

Структура двойного электрического слоя, содержащего димерный электролит с валентностью 2: 2

Публикация

Тип публикации

Журнал

Название журнала

Журнал коллоидной и интерфейсной науки

Дата публикации

Январь, 2015

Объем

449

Абстрактные

Структура плоского двойного электрического слоя, образованного димерным электролитом с валентностью 2: 2, вблизи однородно заряженного плоского жесткого электрода исследована с использованием теории функционала плотности и моделирования Монте-Карло.Димерный электролит состоит из смеси заряженных двухвалентных димеров и заряженных двухвалентных мономеров в диэлектрическом континууме. Димер состоит из двух тангенциально связанных жестких сфер, одна из которых является двухвалентной и положительно заряженной, а другая нейтральной, тогда как мономер является двухвалентной и отрицательно заряженной жесткой сферой. Теория функционала плотности хорошо воспроизводит результаты моделирования для (i) синглетных распределений различных типов ионов относительно электрода и (ii) среднего электростатического потенциала.Сравнение с более ранними результатами для димерного электролита 2: 1/1: 2 показывает, что структура двойного слоя аналогична, когда противоион имеет ту же валентность.