콜로이드 결정

Colloidal crystal

콜로이드 결정(coloridal crystal)은 반복적인 서브유닛이 원자나 분자인 표준 결정과 유사한 콜로이드 입자와 미세한 갈린 물질의 배열이다.[1] 이러한 현상의 자연적인 예는 실리카의 구들이 적당한 압축 하에서 밀접하게 포장된 국소적 주기 구조를 가정하는 보석 오팔에서 찾을 수 있다.[2][3] 콜로이드 결정의 대량 특성은 구성, 입자 크기, 패킹 배열, 규칙성의 정도에 따라 달라진다. 응용 분야에는 광전자학, 재료 처리, 자가 조립 및 위상 전환에 대한 연구가 포함된다.

그 사이에 곡물 경계가 있는 2D 콜로이드의 작은 결정체 모음입니다. 구면 유리 입자(직경 10μm)가 물에 있음.
위의 콜로이드 결정에서 결정의 연결성. 흰색으로 된 연결은 입자가 6개의 동일한 간격을 가진 이웃을 가지고 있으며 따라서 결정 영역의 일부를 형성한다는 것을 나타낸다.
IUPAC 정의

주기적인 구조를 가진 콜로이드 입자의 조립은
분자 또는 원자 결정에서 익숙한 대칭을 준수한다.

참고: 콜로이드 결정체는 액체 매개체 또는 도중에 형성될 수 있다.
입자 서스펜션 [4]건조

소개

콜로이드 결정(coloridal crystal)은 긴 범위(약 1cm)에 걸쳐 형성될 수 있는 매우 순서가 높은 입자 배열이다. 이와 같은 배열은 적절한 스케일링을 고려하는 원자 또는 분자의 배열과 유사한 것으로 보인다. 이 현상의 좋은 자연적인 예는 이산화규소의 콜로이드 영역인2 SiO(위 그림 참조)가 밀집되어 있는 영역에서 순수 스펙트럼 색의 빛나는 영역이 나타나는 귀중한 오팔에서 찾을 수 있다. 이 구형 입자들은 규소성이 높은 웅덩이에 침전되어 수년간의 정수압과 중력하에서의 침전 및 압축 후에 고도로 질서 정연한 배열들을 형성한다. 구면 입자의 주기적인 배열은 광 결정에서 광파에 대해 자연적인 회절 그링 역할을 하는 간극의 배열을 유사하게 만들어 주며, 특히 간격이 입사 광파와 같은 크기일 때 더욱 그러하다. [5][6]

오리진스

콜로이드 결정의 기원은 벤토나이트 솔의 기계적 성질, 실러의 광학적 성질은 산화철 솔에 층을 이룬다. 그 성질은 단일체 무기 입자의 순서에 기인해야 한다.[7] 모노디세르스 콜로이드(Monodispers colorids)는 자연에 존재하는 장거리 배열의 형성이 가능하다. W.M.스탠리가 발견한 담배와 토마토 바이러스의 결정체 형태는 이것의 예를 제공했다. 이후 X선 회절법을 사용하여 희석된 물 정지에서 원심분리하여 농축할 때 이러한 바이러스 입자가 고도로 정렬된 배열로 정리되는 경우가 많다고 판단했다.

담배 모자이크 바이러스의 로드 모양의 입자는 2차원 삼각 격자를 형성할 수 있는 반면, 토마토 부쉬 스턴트 바이러스의 거의 구형 입자로부터 신체 중심의 입방 구조가 형성되었다.[8] 1957년 '결정 가능한 곤충 바이러스'의 발견을 기술한 편지가 네이처지에 실렸다.[9] 티푸라 이리체센트 바이러스(Tipula Iriidscent Virus)로 알려진 저자들은 수정면에서 발생하는 사각형과 삼각형 배열 모두에서 바이러스 입자의 얼굴 중심의 입방체 밀접 포장을 추론했다. 이러한 종류의 배열은 세포의 정지에서도 관찰되었는데, 여기서 대칭은 유기체의 재생 방식에 잘 적응한다.[10] 유전 물질의 제한된 함량은 그것에 의해 코딩될 단백질의 크기에 제한을 둔다. 보호막을 짓기 위해 동일한 단백질을 다량 사용하는 것은 RNA나 DNA 함량의 제한된 길이와 일치한다.[11][12]

혐오스러운 쿨롱 상호 작용으로 인해 수용성 환경에서 전기로 충전된 고분자는 종종 개별 입자 직경보다 상당히 큰 인터피사 분리 거리와의 장거리 결정 유사 상관관계를 나타낼 수 있다는 것은 여러 해 동안 알려져 있다. 자연에서 일어나는 모든 경우에서 같은 발광은 브래그의 법칙에 해당하는 가시광선의 회절과 건설적인 간섭에 의해 발생한다.

희귀성과 병리학적 특성 때문에 오팔 바이러스도, 유기 바이러스도 과학 실험실에서 큰 인기를 끌지 못했다. 이들 '협착 결정체'의 물리학과 화학을 탐구하는 실험의 수는 폴리머와 광물 양쪽의 합성 모노디스페르스 콜로이드들을 준비하기 위해 20년 동안 진화한 간단한 방법들의 결과로 나타났으며, 다양한 메커니즘을 통해 그들의 장기적 질서 형성을 구현하고 보존하기 위한 실험들이 생겨났다.

트렌드

콜로이드 크리스탈은 주문과 자가조립의 메커니즘, 협동 운동, 액체와 고체가 모두 응축된 물질에서 관찰한 것과 유사한 구조, 구조적 위상 전환 등으로 인해 관심이 높아지고 있다.[13][14] 위상 평형은 탄성 고형물과 적절한 스케일링과 물리적 유사성의 맥락 안에서 고려되었다. 기사간 분리거리 관측 결과 주문량이 감소했다. 이로 인해 인터프러트 잠재력에서 장기적 매력 요소가 존재한다는 랭무어의 신념을 재평가하게 되었다.[15]

콜로이드 크리스탈은 광학에서 광학 크리스탈로 응용되는 것을 발견했다. 광자기학은 특히 적외선 근처에 보이는 광자(광자 무리)를 생성, 제어 및 검출하는 과학이지만 전자기 스펙트럼의 자외선, 적외선 및 먼 IR 부분까지 확장된다. 광전자학의 과학은 광범위한 주파수와 파장에 걸친 광파의 방출, 전송, 증폭, 검출, 변조, 개폐를 포함한다. 광소자에는 레이저(방사선 방출 자극에 의한 광증폭)와 광섬유가 있다. 적용대상은 통신, 정보처리, 조명, 분광기, 홀로그래피, 의학(수술, 시력교정, 내시경), 군사(유도탄) 기술, 농업, 로봇공학 등이다.

다결정 콜로이드 구조는 서브미크로메트리 콜로이드 물질 과학의 기본 요소로 확인되었다. [16] 분자 자가조립은 다양한 생물학적 시스템에서 관찰되어 왔으며, 매우 다양한 복잡한 생물학적 구조의 형성에 기초하고 있다. 여기에는 자연에서 발견되는 미세구조적 특징과 설계에 기반한 기계적으로 우수한 생체물질의 신흥 등급이 포함된다.

생물학적 세라믹스, 폴리머 합성물, 엘라스토머, 셀룰러 소재의 주요 기계적 특성과 구조는 생물학적으로 영감을 받은 소재와 구조를 중심으로 재평가되고 있다. 전통적인 접근방식은 기존의 합성 물질을 사용한 생물학적 물질의 설계 방법에 초점을 맞추고 있다.[17] 자연에서 생물학적 체계의 특징인 공정을 통한 생물학적 영감을 받은 물질의 합성에서 그 용도가 확인되었다. 이것은 구성요소의 나노 크기 자체 조립과 계층 구조 개발을 포함한다.[18]

벌크 크리스털

집계

콜로이드 분산(또는 안정적 중단)에 집적하는 것은 인터폰 어트랙션의 정도에 의해 특징지어진다.[19] 열 에너지에 비해 강한 매력(kT에 의해 주어짐)의 경우, 브라운 모션은 입자 확산 속도에 의해 증가율이 제한되는 불가역적으로 편조된 구조를 생성한다. 이는 분기 정도, 라미화 또는 프랙탈 차원성과 같은 매개변수를 사용한 설명으로 이어진다. 유한한 입자간 유인 에너지로 클러스터-클러스터 통합 모델을 수정하여 가역 성장 모델을 구축하였다.[20][21]

끌어당기는 힘의 힘이 어느 정도 완충되는 시스템에서는 힘의 균형이 평형 위상 분리로 이어지며, 즉 입자가 두 개의 뚜렷한 구조 위상에서 동일한 화학적 전위와 공존한다. 탄성 콜로이드 고형으로서 순서가 정해진 단계의 역할은 중력의 힘에 의한 탄성(또는 가역) 변형에 의해 증명되었다. 이 변형은 격자 매개변수 또는 입자간 간격의 왜곡으로 정량화할 수 있다.[22]

점탄성

주기적인 순서의 격자는 작은 진폭 기계적 변형을 받았을 때 선형 점탄성 고형물로 작용한다. 오카노의 집단은 초음파 범위(40~70kHz)에서 기계적 공진 기법을 사용해 시어 계수를 스탠딩 전단 모드의 주파수와 실험적으로 상관시켰다.[23][24] 낮은 주파수(< 40 Hz)에서의 진동 실험에서 진동의 기본 모드와 몇 개의 높은 주파수 부분 오버톤(또는 고조파)이 관찰되었다. 구조적으로 대부분의 시스템은 비교적 단거리 질서의 주기적 영역 형성에 대한 분명한 불안정성을 보인다.진동의 임계 진폭 이상에서, 소성변형은 구조적인 재배열의 일차적 모드다.[25]

위상 전환

평형 위상 전환(예: 순서/분열), 상태의 방정식, 콜로이드 결정의 운동학 등이 모두 활발하게 연구되어, 콜로이드 입자의 자기 결합을 제어하는 몇 가지 방법이 개발되었다.[26] 콜로이드성 상피술과 공간 기반 중력 감소 기법, 밀도 구배를 정의하기 위한 온도 구배 사용 등이 그 예다.[27] 이것은 온도가 하드-sphere 위상 다이어그램을 결정하는 데 역할을 하지 않기 때문에 다소 직관에 반한다. 단, 온도 구배가 없을 경우 액체 상태로 유지될 수 있는 농도 체계의 표본에서 단일 결정(크기 3 mm)[28]을 얻었다.

포논 분산

단일 콜로이드 결정체를 사용하여 정상 진동 모드의 포논 분산을 광자 상관 분광법 또는 동적 광 산란법을 사용하여 연구했다. 이 기법은 농도(또는 밀도) 변동의 이완 또는 쇠퇴에 의존한다. 이러한 모드는 종종 음향 범위의 종방향 모드와 관련된다. 콜로이드 액체에서 콜로이드 고체로 구조적으로 전환될 때 음파 속도(따라서 탄성계수)가 2.5배 증가된 것이 관찰되었다.[29][30]

코셀 선

단일체 중심의 입방체 콜로이드 결정체를 사용하여 회절 패턴의 코셀 라인이 발생하여 초기 핵분열을 감시하고 후속 동작으로 결정의 왜곡을 유발하였다. 탄성 한계를 넘어 발생하는 연속적 또는 균일한 변형은 '흐름 결정'을 생성하는데, 입자 농도를 증가시키면 핵 부위의 밀도가 크게 증가한다.[31] 가로 방향 및 가로 방향 모드에 대해 격자 역학을 조사하였다. 유리관 가장자리 근처의 결정화 과정을 평가하기 위해 동일한 기술을 사용했다. 전자는 균질 핵 사건과 유사한 것으로 간주될 수 있다. 즉, 후자는 유리관 표면에 의해 촉매되는 이질적인 핵 사건으로 간주될 수 있다.

성장률

소각 레이저 광 산란은 공간 밀도 변동이나 수정 알갱이가 자라는 모양에 대한 정보를 제공해 왔다.[31][32] 또한, 콘콜컬 레이저 스캐닝 현미경은 유리 표면 근처의 수정 성장을 관찰하는데 사용되었다. 전기-광전파는 교류 펄스에 의해 유도되었고, 반사 분광과 빛 산란으로 감시되었다. 콜로이드 결정의 역학들은 정량적으로 측정되었고 핵 비율은 서스펜션 농도에 따라 결정된다.[33][34][35] 마찬가지로, 수정 성장률은 상호농도가 증가함에 따라 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다.

미세중력

우주왕복선 컬럼비아호에서 미세중력으로 수행된 실험은 전형적인 얼굴 중심의 입방구조가 중력 스트레스에 의해 유도될 수 있음을 시사한다. 결정들은 지구의 중력하에서의 기계적 평형에 도달하기 위한 충분한 시간을 허용했을 때 (rhcp)와 얼굴 중심의 입방 패킹의 혼합과 대조적으로 hcp 구조만을 나타내는 경향이 있다.[36] 유리(분해 또는 무정형) 콜로이드 샘플은 2주도 안 돼 미세중력에서 완전히 결정화되었다.

박막

2차원(박막) 반순열 격자는 전극 표면에서 수집된 것뿐만 아니라 광학 현미경을 사용하여 연구되었다. 디지털 비디오 현미경 검사를 통해 평형 육각 위상의 존재는 물론 강력한 1차 순서의 액체 대 육각 위상과 육각 위상의 전환이 밝혀졌다.[37] 이러한 관찰은 격자 탈구 쌍의 구속을 해제하여 용융이 진행될 수 있다는 설명과 일치한다.

장기순서

오일 아래 콜로이드 액체의 얇은 필름에서 장기적 질서가 관찰되었으며, 액체 단계의 확산 줄무늬 패턴에 맞춰 떠오르는 단일 결정의 면 모서리 부분이 정렬되어 있다. 구조적 결함은 고체와 액체 단계의 인터페이스뿐만 아니라 순서가 정해진 고형상에서도 직접 관찰되었다. 이동 격자 결함은 결함 변형 영역의 광파 변조 및 저장된 탄성 변형 에너지로 인해 Bragg 반사를 통해 관찰되었다.[16]

이동 격자 결함

모든 실험은 적어도 하나의 공통된 결론을 이끌어냈다: 콜로이드 결정들은 실제로 길이(공간)와 시간(임시)의 적절한 척도로 그들의 원자 결정체들을 모방할 수 있다. 단순 광학현미경을 이용해 기름에 묻혀 있는 콜로이드 크리스탈의 얇은 필름에서 결함은 눈 깜짝할 사이에 번뜩이는 것으로 보고됐다. 그러나 그것의 전파 속도를 정량적으로 측정하면 전혀 다른 난제를 제공하는데, 이것은 음속 가까운 어딘가에서 측정되었다.

비구형 콜로이드 기반 결정체

비구형 콜로이드에서 나온 결정체 박막은 대류성 조립 기법을 사용하여 제작되었다. 콜로이드 형태는 아령, 반구, 디스크, 스피어실린더 형태를 포함한다.[38][39] 콜로이드 입자의 가로 세로 비율에 따라 순수 결정 단계와 플라스틱 결정 단계가 모두 생성될 수 있다. 불룩함, 아이볼, 눈사람처럼 생긴 비구형 콜로이드 등 낮은 가로 세로 비율은 높은 균일성을 가진 광자 결정 배열로 자연스레 조립된다.[40] 입자는 2D(즉, 단층) 구조와 3D(즉, 다층) 구조로 결정되었다.[41][42][43][44][45] 관측된 격자 및 입자 방향은 비구형 물체의 응축된 단계에 대한 이론적 연구의 본문을 실험적으로 확인하였다. 비구형 콜로이드에서 나온 결정체의 조립도 전기장의 사용을 통해 지시될 수 있다.[46]

적용들

광학

기술적으로, 콜로이드 크리스탈은 광학 세계에서 광 대역 갭(PBG) 물질(또는 광 결정)으로 응용되는 것을 발견했다. 합성 오팔은 물론 역방향 오팔 구성은 자연 침전 또는 적용된 힘에 의해 형성되고 있으며, 둘 다 유사한 결과를 얻고 있다: 입자 크기에 필적하는 파장의 광파를 위해 자연적인 회절 그래프를 제공하는 장거리 순서 구조물이다.[47]

새로운 PBG 재료는 일반적으로 순서가 정해진 격자를 이용하여 원래의 입자를 제거하거나 분해한 후 남는 일련의 구멍(또는 모공)을 만들어 내는 오팔 반도체 폴리머 합성물로 형성되고 있다. 잔여 중공 벌집 구조는 선택적 필터에 충분한 굴절률(공기에 대한 행렬의 비율)을 제공한다. 네트워크에 주입되는 가변 인덱스 액체나 액정이 비율과 밴드 갭을 변화시킨다.

그러한 주파수 민감 장치는 마이크로파 및 밀리미터파 주파수의 고효율 더듬이뿐만 아니라 스펙트럼의 자외선, 가시 또는 적외선 부분의 광 전환 및 주파수 선택 필터에 이상적일 수 있다.

자가 조립

자기집합은 현대 과학계에서 어떤 외부 힘의 영향도 없이 입자의 자발적 집합(atom, 분자, 콜로이드, 마이크로셀 등)을 기술하는 가장 보편적인 용어다.[18] 그러한 입자의 큰 집단은 열역학적으로 안정적이고 구조적으로 잘 정의된 배열로 조립되는 것으로 알려져 있는데, 이는 야금학 및 광물학에서 발견되는 7개의 결정계(예: 얼굴 중심 입방체, 신체 중심 입방체 등) 중 하나를 상당히 연상시킨다. 평형 구조의 근본적인 차이는 각각의 특별한 경우에서 단위 셀의 공간 척도(또는 격자 매개변수)에 있다.

분자 자가조립은 생물학적 시스템에서 광범위하게 발견되며 다양한 복잡한 생물학적 구조의 기초를 제공한다. 여기에는 자연에서 발견되는 미세구조적 특징과 설계에 기반한 기계적으로 우수한 생체 물질의 신흥 등급이 포함된다. 따라서 자가조립도 화학합성과 나노기술의 새로운 전략으로 떠오르고 있다.[17] 분자 결정, 액체 결정, 콜로이드, 미켈, 유화, 위상 분리 중합체, 박막 및 자가 조립된 단열체들은 모두 이러한 기법을 사용하여 얻은 고도로 질서 정연한 구조의 유형의 예를 나타낸다. 이러한 방법의 두드러진 특징은 자기 조직화다.

참고 항목

참조

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추가 읽기

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  • W.D. 캘리스터 주니어 소재 과학 및 엔지니어링: 제7회 ED, John Wiley & Sons, 2006년 ISBN 978-0-471-73696-7.
  • W.D. 킹리, H.K. 보웬, D.R. Uhlmann, Inc., 1976, ISBN 0-471-47860-1, John Wiley & Sons, Inc.
  • M.N. 라하만, 세라믹 가공 및 싱터링, 2차 에드, 마르셀 드커 주식회사, 2003, ISBN 0-8247-0988-8.
  • J.S. 리드, 세라믹 처리 원리 소개, 존 와일리 & 선스 주식회사, 1988년 ISBN 0-471-84554-X.
  • D.W. 리커슨, 모던 세라믹 엔지니어링, 제2 에드, 마르셀 드커 주식회사, 1992, ISBN 0-8247-8634-3.
  • W.F. 스미스 소재 과학 및 엔지니어링 원칙, 제3차 Edd, McGraw-Hill, Inc., 1996, ISBN 978-0-0-07-059241-4.
  • Wachtman, John B. (1996). Mechanical Properties of Ceramics. New York: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 978-0-471-13316-2.
  • L.H. VanVlack, 엔지니어 물리 세라믹스, 애디슨-웨슬리 출판사, 1964, ISBN 0-201-08068-0.
  • 콜로이드 디스펜션, 러셀, W.B. 외, 에드, 케임브리지 유니브. 누름 (1989)
  • 솔겔 사이언스: C에 의한 솔-겔 처리의 물리학과 화학. 제프리 브링커와 조지 W. 스크러, 아카데미 프레스 (1990)
  • 솔겔 재료: 존 D의 화학 및 응용 프로그램 라이트, 니코 A.J.M. 소머디크
  • Michel A의 유리 생산자와 사용자를 위한 Sol-Gel 기술 아이거터와 M. 메니그
  • 솔겔 광학: 처리 및 응용, Lisa Klein, Springer Verlag(1994)

외부 링크