シリカコロイドの表面を動的に形作ります

表面粗さは、粒子ベースの材料の処理に影響を与える重要な設計パラメーターです。粗い粒子を合成する現在の方法は、いくつかの制限を示しています。低収量、相対的な方法論の複雑さ、複数のステップの要件、または粗さの劣悪な制御。ここでは、2つのシラン、テトラエチルオルソシリケート（TEOS）とビニルトリメトキシシラン（VTMS）を1つのポットに加えて、制御された波形表面のシリカ粒子を形成する容易な合成経路を徹底的に調査します。最初に、これらの粒子の形態は、2つのシラン前駆体の量と比率を調節し、合成中にアンモニアの濃度を調整することによって定義できることを示します。原子力顕微鏡を使用して粒子の表面地形を特徴付け、表面粗さと合成条件の間に直接的な相関を示します。さらに、表面形態の進化のin situ観測を実行し、シラン液滴の形成にかかっている表面構造化のメカニズムを提案し、その後、液滴表面から始まり、VTMSの優先的な加水分解/凝縮反応を提案し、それに続き、中心。液滴からVTMSシェルを介した液体の交換は、粒子のストレスの蓄積としわ/座屈につながります。さらに、液滴の内側と外側の間の浸透圧の不均衡がそれらの縮小を調節することを明示的に示します。したがって、溶媒を交換することは、粒子形状の定義においてシランとアンモニアの含有量を調整することに匹敵する影響を与え、この合成ルートが非常に動的であることを実証します。最後に、合成中に蛍光色素を組み込み、直接高解像度イメージングを介してせん断を含む動的プロセスに対する表面粗さの影響に関する将来の研究を可能にすることが可能であることを実証します。我々の発見は、コロイドシリカ粒子のしわや座屈のメカニズムが、リポソームやポリマーカプセルからピカリングエマルジョン液体に至るまで、広範囲のシステムに見られる一般的なスキームに従うことを示しています。

Surface roughness is an important design parameter to influence the processing of particle-based materials. Current methods to synthesize rough particles present some limitations, e.g. low yield, relative methodological complexity, requirements of multiple steps, or poor roughness control. Here, we thoroughly investigate a facile synthesis route where two silanes, tetraethyl orthosilicate (TEOS) and vinyltrimethoxysilane (VTMS), are added in one pot to form silica particles with controlled corrugated surfaces. We first show that the morphology of these particles can be defined by regulating the amount and ratio of the two silane precursors and by adjusting the concentration of ammonia during synthesis. We characterize the surface topography of the particles using atomic force microscopy and show a direct correlation between surface roughness and the synthesis conditions. Furthermore, we carry out an in situ observation of the evolution of surface morphology and propose a mechanism for surface structuring that hinges on the formation of silane droplets, followed by the preferential hydrolysis/condensation reaction of VTMS starting from the droplet surface and evolving towards the center. The exchange of liquid from the droplets through the VTMS shell leads to stress accumulation and wrinkling/buckling of the particles. Moreover, we explicitly show that osmotic imbalances between the inside and the outside of the droplets regulate their shrinking. We therefore demonstrate that exchanging solvents has a comparable impact to adjusting silane and ammonia content in defining the particle shape and that this synthesis route is highly dynamical. Finally, we demonstrate that it is possible to incorporate fluorescent dyes during synthesis to enable future studies on the impact of surface roughness on dynamic processes, including shear, via direct high-resolution imaging. Our findings show that the mechanism for wrinkling and buckling in colloidal silica particles follows a general scheme found in a broad range of systems, from liposomes and polymeric capsules to Pickering emulsion droplets.