Forskere demonstrerer, hvordan man styrer flydende krystalmønstre

Da Lisa Tran satte sig for at undersøge mønstre i flydende krystaller, hun vidste ikke, hvad hun skulle forvente. Da hun først så gennem mikroskopet, hun så dansende iriserende kugler med fingeraftrykslignende mønstre ætset ind i dem, der spiralformede og fladtrykte, da løsningen, de blev flydende i, ændrede sig.

Synet var så smukt, at Tran, en kandidatstuderende ved Institut for Fysik og Astronomi ved University of Pennsylvania's School of Arts and Sciences, indsendte en video af den til Nikon Small World Competition og endte med at vinde femtepladsen. Men betydningen af ​​resultaterne rækker langt ud over deres æstetiske appel, med mulige anvendelser inden for biosensering og energihøst.

Flydende krystaller, væsker med justerede faser af bestanddelmolekyler, bruges i alt fra computer- og tv -skærme til stemningsringe. Da flydende krystaller er lavet af stavlignende molekyler, de har særlige optiske egenskaber, såsom at ændre farve, når de interagerer med elektriske signaler eller lys.

Til denne forskning, Tran lukkede de flydende krystaller i dråber, skabe skaller, der flyder i vand. Tran og hendes rådgiver, Randall Kamien, Vicki og William Abrams professor i naturvidenskab ved Penn, beskrev dråberne som "fancy bobler." For at skabe mønstre, Tran tilføjede derefter overfladeaktive stoffer, eller sæbevandede molekyler, til vandet.

"Den måde, sæbe normalt fungerer på, "Sagde Tran, "er, at du blander det med vand, og det danner små dråber med olien for at fjerne det fra dine hænder eller din tallerken."

Fordi flydende krystaller ligner olie, overfladeaktive midler blev tiltrukket af flydende krystalskaller, får molekylerne til at bestille på forskellige måder og skabe slående mønstre. Jo mere sæbe hun tilføjede til opløsningen, jo mere mønstrene ændrede sig. Tilsætning af vand fik mønstrene til at vende.

At være i stand til at kontrollere de mønstre, der dannes på de flydende krystaller, kan være nyttigt til at skabe pletvis kolloider, mikroskopiske partikler suspenderet i vand, der er funktionaliserede, hvilket betyder, at man kan vedhæfte molekyler til bestemte pletter på partiklen.

"Hvis du tænker på en bordtennisbold, det er fuldstændig uinteressant, "Sagde Kamien." Men så tænker du på en golfbold, som har samme størrelse, men der er fordybninger på den. Så sagen ved Lisas arbejde er, at ved at kontrollere de mønstre, du ser optisk, det strukturerer overfladen fysisk, som giver dig mulighed for at knytte ting til det bestemte steder. "

Papiret, udgivet i Fysisk gennemgang X , blev ledet af Tran og Kamien i samarbejde med Kathleen Stebe, the Richer &Elizabeth Goodwin professor, og professor Daeyeon Lee, i Institut for Kemisk og Biomolekylær Ingeniørvidenskab på Institut for Ingeniørvidenskab og Anvendt Videnskab. De samarbejdede også med gruppen af ​​Teresa López-León fra École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris.

Forskningen er en nøglekomponent i en af ​​de tværfaglige forskningsgrupper i Penns nylige bevilling på 22,6 millioner dollars fra NSF Materials Research Science and Engineering Center. Gruppen arbejder på at lave samlinger af nanokrystaller på hårde skabeloner og i bløde materialer, der lover applikationer inden for sansning, energikonvertering og optisk signalbehandling.

Trans eksperiment blev inspireret af tidligere forskning foretaget af Maxim Lavrentovich, en Penn -postdoktor på det tidspunkt, der nu er adjunkt ved University of Tennessee, Knoxville. Arbejde med Kamien, Lavrentovich undersøgte, hvordan forskellige mønstre på pollenkorn var specifikke for forskellige plantearter, ligner sommerfuglvinger.

Da flydende krystaller også er kendt for at danne forskellige mønstre, Tran undersøgte, hvad der ville ske, hvis molekylerne var begrænset til en kugle og fik dem til at danne mønstre. Hun håbede på at se, hvordan de ville pakke, og om de ville matche nogle af de mønstre, de havde set for pollenkorn.

Selvom forskerne oprindeligt brugte polariserende mikroskopi til at undersøge dette, de fandt ud af, at de kunne se dråberne uden et mikroskop ved blot at holde opløsningen mod lyset. Da flydende krystal reagerer på, hvad der foregår omkring det, ser man på de mønstre, som sæbemolekylerne fremkalder på skallerne, kan bruges som en biosensor.

"Hvis du kan få dem til at ændre deres farve eller tekstur, bare fordi der er noget gift i reagensglasset med dem, "Sagde Kamien, "så kan du se det med dine øjne, og du behøver ikke engang et mikroskop. "

For at følge denne forskning, Tran er interesseret i at inkorporere nanopartikler med forskellige egenskaber for at skabe nanotråde, som kunne bruges som en måde at lave mere energieffektive høstudstyr, der kan indstilles til lyset i deres miljø.

"Hvis du havde nanopartikler, der udelukkende var metal, " hun sagde, "Du kunne få dem til at følge med på linjen og hvis du kryds forbinder dem, sådan at de er stive, og vask den flydende krystal væk, så ender du med denne form for mønstret nanotråd, som derefter kan bruges til yderligere applikationer. "

Ifølge Kamien, en af ​​de mest interessante ting, de lærte af denne forskning, er, at de ikke har brug for fancy udstyr til at se, hvordan tingene organiserer sig på nanoskalaen.

"Ideen, " han sagde, "at vi kan manipulere ting, der er så små med store hænder og se på dem på store længder, er fantastisk for mig. Ved at sprøjte noget ind i løsningen kan vi ændre, hvordan mønstrene ser ud. Vi udleder ikke bare ting om dem; vi kontrollerer dem. Vi får dem til at danse for os. Det er rigtigt, at elektronik gør det samme med elektroner, men du kan ikke se elektronerne. Dette samspil mellem optik og struktur er spændende."