"Multi-scale kinetics of a field-directed colloidal phase transition". J. W. Swan, P. A. Vasquez, P. A. Whitson, E. M. Fincke, K. Wakata, S. H. Magnus, F. De Winne, M. R. Barratt, J. H. Agui, R. D. Green, N. R. Hall, D. Y. Bohman, C. T. Bunnell, A. P. Gast, E. M. Furst. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA. In press. DOI:
Polarizable colloids are expected to form crystalline equilibrium phases
when exposed to a steady, uniform field. However,
when colloids become localized this field-induced
phase transition arrests and the suspension persists indefinitely as a
kinetically
trapped, percolated structure. We anneal such gels
formed from magneto-rheological fluids by toggling the field strength at
varied frequencies. This processing allows the
arrested structure to relax periodically to equilibrium—colloid-rich,
cylindrical
columns. Two distinct growth regimes are observed:
one in which particle domains ripen through diffusive relaxation of the
gel, and the other where the system-spanning
structure collapses and columnar domains coalesce apparently through
field-driven
interactions. There is a stark boundary as a
function of magnetic field strength and toggle frequency distinguishing
the two
regimes. These results demonstrate how kinetic
barriers to a colloidal phase transition are subverted through measured,
periodic
variation of driving forces. Such directed assembly
may be harnessed to create unique materials from dispersions of
colloids.
Se espera que los coloides que son polarizables formen fases cristalinas en equilibrio cuando se exponen a un campo uniforme y estacionario. Sin embargo, cuando los coloides se encuentran localizados, esta transición de fase inducida por el campo se congela y la suspensión persiste indefinidamente como una estructura percolada, atrapada cinéticamente. Se recocen tales geles formados mediante fluidos magnetoreológicos por medio de la alternancia de la intensidad del campo a distintas frecuencias. Este proceso permite que la estructura congelada se relaje periódicamente hasta llegar al equilibrio - coloide rico en columnas cilíndricas. Se observan dos distintos regímenes de crecimiento: uno en el cual las partículas dominan el envejecimiento a través de la relajación difusiva del gel, y otra en la que toda la estructura del sistema colapsa y los dominios de columnas coalescen, aparentemente a través de interacciones controladas con el campo. Existe una clara frontera que distingue ambos regímenes, como función de la intensidad del campo magnético y de la alternancia de su intensidad. Estos resultados demuestran cómo las barreras cinéticas de las transiciones de fase coloidales se transforman a través de fuerzas de control con variación periódica. Tal ensamblaje dirigido puede emplearse para crear materiales únicos a partir de dispersiones de coloides.
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