Mesoscopic description of network-forming clusters of weakly charged colloids

Abstract

Systems composed of spherical charged particles in solvents containing counterions and inducing effective short-range attraction are studied in the framework of mesoscopic field-theory. We limit ourselves to mean-field approximation (MF) and to weak ordering. We discuss properties of potentials consisting of strong short-range attraction and weak long-range repulsion (SALR) in the context of formation of nonuniform distribution of particles on a mesoscopic length scale instead of macroscopic phase separation. In earlier work it was found that spherical, cylindrical and slab-like clusters of particles are formed, and for low enough temperatures the clusters form ordered, periodic bcc, hexagonal and lamellar phases. In addition, a gyroid phase was predicted in which two interwoven regular network-like clusters branching in triple junctions are formed. At properly rescaled density and temperature, the coexistence lines between different ordered phases were found to be universal in MF, with the exception of the gyroid phase. Here the phase diagram is determined for two choices of the SALR potential, one corresponding to a large range of the attractive part of the potential, and the other one to a very small range of attraction. We find that the region of stability of the gyroid phase very weakly depends on the form of the SALR potential within the approximate theory.

У межах мезоскопічної польової теорії вивчаються системи, що складаються зі сферичних заряджених частинок у розчинниках, які містять контріони та індукують короткосяжне притягання. Розглянуто наближення середнього поля (СП) і слабке впорядкування, а також властивості потенціалів, що складаються із сильного короткосяжного притягання та слабкого далекосяжного відштовхування (SALR) у контексті формування неоднорідного розподілу частинок на мезоскопічних масштабах довжин замість макроскопічного фазового відокремлення. Було показано, що формуються сферичні, циліндричні та щілиноподібні кластери частинок, і для достатньо низьких температур ці кластери формують впорядковані періодичні об'ємоцентричні, гексагональні та ламеларні фази. Крім того, було передбачено гіроїдну фазу, в якій формуються два переплетені регулярні мережоподібні кластери, що розгалужуються в потрійному з'єднанні. Знайдено, що за відповідного масштабування густини та температури, лінії співіснування між різними впорядкованими фазами є універсальними в наближенні СП, за винятком гіроїдної фази. Визначено фазову діаграму для двох виборів потенціалу SALR: такого, що відповідає великій області притягувальної частини потенціалу, та такого, що відповідає малій області притягання. Виявлено, що область стабільності гіроїдної фази дуже слабо залежить від форми потенціалу SALR у межах наближеної теорії.