Dråber af flydende krystalmolekyler forgrener sig til mærkelige strukturer

Mens mange videnskabelige resultater kommer fra lange års omhyggelig planlægning, en gang imellem falder forskere over noget helt uventet. "I begyndelsen, vi søgte at skabe en bestemt effekt, " siger kandidatstuderende Wei-Shao Wei. "Så, vi observerede noget mærkeligt."

En ny undersøgelse i Natur beskriver dette "underlige" fund ved at vise, hvordan dråber indeholdende kædelignende flydende krystalmolekyler forvandles til komplekse former, når temperaturen falder. dirigeret af Wei, kandidatstuderende Sophie Ettinger, Ph.D. alun Yu Xia, Shu Yang, og Arjun Yodh, denne uventede opdagelse giver ny forståelse for, hvordan molekylær polydispersitet - en tilstand, hvor længden af ​​flydende krystalmolekyler varierer meget - kan få simple dråber til at ændre sig til usædvanlige former.

Flydende krystaller er sammensat af stav- eller skivelignende molekyler kaldet mesogener, og, som et resultat af justeringen af ​​disse mesogener, udviser bemærkelsesværdige fysiske egenskaber mellem dem for et fast stof og en væske. De flydende krystaller, der bruges i denne undersøgelse, har lignende egenskaber som dem, der bruges i LCD-skærme, men er i stedet lavet af oligomerer, fleksible kortkædede polymerer bestående af mindre stavlignende molekylære byggesten.

Weis oprindelige mål var at bruge denne type flydende krystal fra Yangs laboratorium til at skabe Janus-dråber, som indeholder to forskellige typer materialer på modsatte sider af dråben - i dette tilfælde, den ene halvdel ville være et gummiagtigt netværk kaldet en flydende krystal elastomer, lavet ved at "låse" flydende krystalmolekyler på plads med tværbinding, og den anden halvdel ville være silikone.

Wei opdagede hurtigt, at dråberne i stedet forvandlede sig til mærkelige filamentøse strukturer. Først troede forskerne, at det, de så, var en eksperimentel fejl, men fordi resultaterne var gentagelige, de indså, at det var noget bemærkelsesværdigt nyt, som de skulle prøve at forstå.

"Det var en visuelt spektakulær effekt. Jeg havde slet ikke forventet det, " siger Yodh. "Vi prøvede at lave designerdråber, men i processen, vi så noget interessant og anderledes."

Både forbløffet og forundret over deres mærkelige resultater, forskerne begyndte en grundig undersøgelse for at forklare, hvad de så. Med hjælp fra Yang-laboratoriet, Wei studerede dråber, der indeholdt forskellige blandinger af flydende krystaloligomerer lavet af mesogener af varierende længde. Forskerne varierede oligomerkædelængden, brugte forskellige overfladeaktive stoffer til at holde dråberne sammen, og udforskede simple teoretiske modeller for at give mening i deres resultater.

Det væsentlige træk ved den model, forskerne udviklede, er, at dråbens struktur er drevet af to kræfter:overfladespænding, væskeoverfladers tendens til at krympe til det mindst mulige område, og elastisk energi, et eksempel er den mekaniske energi, der er lagret i bøjelige genstande som sengefjedre eller en bueskytte. For at holde overfladeenergien på et minimum, den flydende krystaldråbe danner normalt en kugle, formen med det mindste forhold mellem overflade og volumen. Inde i dråben, imidlertid, de enkelte stænger ønsker både at stå vinkelret på kuglens overflade og samtidig sidde parallelt med andre stænger.

Med disse modsatrettede kræfter i spil, ved høje temperaturer (~90 C/~194 F), de flydende krystaldråber er sfæriske og har en klassisk "radial pindsvin" indre struktur, hvor alle stængerne peger mod midten, en konfiguration, der kræver elastisk energi for at dannes. Derefter, når temperaturen falder, overfladespænding og elastisk energiændring, og både formen af ​​dråben og justeringen af ​​stængerne inde i dråben transformerer for at minimere de samlede energiomkostninger.

Ved et tilfælde, de resulterende dråbestrukturer danner en forbløffende række af komplekse former, fra "blomster", der ligner mikroskopiske krysantemum, til massive "Medusa"-netværk af sammenflettede fibre. Effekterne er også reversible - dråber kan gå fra kugler til sammenfiltrede netværk og så tilbage igen.

Ud over de bemærkelsesværdige nye dråbemorfologier, et af de overraskende resultater af dette arbejde var, at nøglen til dette mærkelige fænomen var at have både langkædede og kortkædede stænger i faldet - i videnskabelige termer, med et flydende krystalsystem med polydispersitet.

Når de stavlignende mesogener var af samme længde, ingen mærkelige effekter blev set, men hvis de havde mange forskellige længder, så ville stængerne flytte til forskellige steder inde i dråben baseret på deres længde. Stænger lavet af mindre kæder flyttes fortrinsvis til hvor den elastiske energi er større, nær midten af ​​dråben, mens dem lavet af større kæder flyttede til overfladen.

"Normalt når din prøve indeholder en blanding af bestanddele af forskellig størrelse, eller længde, eller endda sammensætning, så bliver faseovergange eller selvsamlingshændelser udtværet eller forhindret helt, " forklarer Yodh, "Men her, polydispersitet i blandingen er med til at drive effekten, fordi kæder af forskellig længde kan bevæge sig til forskellige dele af dråben. Dette sker ikke for de homogene, monodispers system."

Mens der stadig er mange spørgsmål, ligesom hvorfor, Nemlig, dråberne forgrener sig på mærkelige måder, der får materialet til at virke levende, forskerne håber at kunne bruge denne indsigt til at udforske nye applikationer og koncepter.

"En grund til, at vi besluttede at bruge disse særlige flydende krystaloligomerer, er, at vi kan tværbinde dem og lave dem til en elastomer, " siger Yodh, tilføjer, at disse og andre lignende slags kædelignende flydende krystalmolekyler kunne bruges til at skabe nye typer bløde materialer, som aktivérbare fibre, der kunne bevæge sig og ændre form som reaktion på temperatur eller fugt.

Forskerne tænker også på andre fænomener, hvor polydispersitet spiller en rolle i at drive et materiales samling og forme dets struktur og funktion. Molekylær heterogenitet i biologi er potentielt relateret til, hvad forskerne fandt med de polydisperse kædelignende flydende krystalmolekyler og kan lette måder at syntetisere og mønstre materialer baseret på, hvad der allerede eksisterer i den levende verden - mange polymerer, der findes i naturen, som naturgummi, træ cellulose, og silke, er selv polydisperse.

"Generelt, videnskabsmænd har en tendens til at kontrollere ting - du vil kontrollere, så du kan forstå det, og derfor forsøger vi normalt at lave og arbejde med monodisperse systemer, " siger Yang. "Men i biologi, kildematerialerne er nogle gange en blanding af molekyler med forskellige kædelængder og funktioner:De kan have forskellig stivhed, hydrofobicitet, eller hydrofilicitet, og det er derfor, det er så kompliceret at forstå."

Forskerne håber, at denne undersøgelse, hvilket blev gjort i den kollaborative "MRSEC-ånd" ved at forene indsatsen inden for materialevidenskab og teknik med fysik, vil opmuntre andre til at se nye implikationer og mulige fordele ved polydispersitet.

"Dette arbejde var sjovt, " tilføjer Yodh. "Det var sjovt at blive overrasket i begyndelsen, og så frustrerende sjovt at prøve at forstå det så længe. Og det er sjovt at se tilbage. Uorden i polymererne gør noget, der er anderledes."