Forskere studerer kræfterne i små krystaller

Når det kommer til den måde, forskere reagerer på deres opdagelser, "Det er interessant" falder et sted mellem "Eureka!" og "Øh-åh."

"Interessant" er lige, hvad Dr. Jeremiah Gassensmith og hans kandidatstuderende Madushani Dharmarwardana tænkte, da de bemærkede usædvanlig adfærd i en prøve af krystaller, de arbejdede med i Gassensmiths kemi-laboratorium på University of Texas i Dallas.

Som en del af hendes doktorgradsforskning, Dharmarwardana undersøgte, hvordan materialet, fra en familie af organiske halvledende materialer kaldet naphthalendiimider, skifter farve fra orange til gul, når den opvarmes.

"Vi så på dette materiale som en termokrom halvleder, sagde Gassensmith, en adjunkt i Institut for Kemi og Biokemi på Institut for Naturvidenskab og Matematik. "Disse typer af halvledende materialer ændrer farve i takt med temperaturændringer. Tænk på øldåser, der skifter farve, når de er kolde, eller farveskiftende termometerstrimler, du sætter på panden for at tjekke for feber."

Da Dharmarwardana opvarmede de små krystaller - prøverne var kun omkring en ottendedel af en tomme, eller et par millimeter, i størrelse - hun bemærkede, at de ville bevæge sig, hvilket var uventet.

"Krystallerne ville bøje, spole, bøje eller hoppe, de ville gøre alle mulige ting, " sagde Gassensmith. "Det var … interessant."

Selvom en sådan termosalient adfærd - også kendt som den springende krystaleffekt - er blevet observeret i andre typer krystaller, det var ikke blevet observeret i denne særlige klasse af organiske halvledende krystaller, sagde Gassensmith. En sådan adfærd er interessant for forskere, fordi den kan udnyttes til applikationer som mikromaskiner, sensorer, eller bittesmå aktuatorer til medicinsk udstyr og kunstige muskler.

Dharmarwardana udførte et nyt sæt eksperimenter, hvor hun limede den ene ende af krystallen fast på et dækglas af glas og placerede glasset på en varmeplade.

"Da pladen blev varmet op, krystallen forsøgte altid at bøje sig væk fra varmen, sagde hun. Forklaringen på dette er, at når krystallen når en vis temperatur, arrangementet af molekyler i krystallen ændres. Disse ændringer bevæger sig sekventielt gennem materialet, starter ved den varme del, der sidder fast på overfladen og forplanter sig ud. Dette får krystallen til at ændre form."

"Vi ser kolossal udvidelse i disse materialer, næsten 20 procent i størrelse, " sagde Gassensmith. "Det er blandt de største procentvise ændringer set i et organisk materiale."

I hendes næste sæt eksperimenter, Dharmarwardana limede små kugler af rustfrit stål til de forankrede krystaller for at se, hvor meget vægt krystaludkragerne kunne løfte, når de blev opvarmet. Fordi krystallerne er skøre, hun forventede, at de gik i stykker under lasten.

"Det overraskede mig, da jeg så, at det faktisk løftede bolden, fordi krystallen er meget lille i forhold til vægten, som var næsten 100 gange tungere end krystallen, " sagde Dharmarwardana. "Da jeg designede eksperimentet, Jeg troede aldrig, det ville løfte sig. Jeg troede, det ville knække krystallen."

Den maksimale belastning løftet med en 3,5 millimeter lang krystaludkrager var omkring 4 milligram, til en højde på 0,24 millimeter.

Mens krystallen afkølede, den sænkede sig og blev lige igen. Mens genopvarmning af materialet ikke resulterede i en anden formændring, materialet fortsatte med at skifte farve med gentagne temperaturændringer.

"Dette er ikke en reversibel transformation, " sagde Gassensmith. "I bund og grund, krystallen starter ladet med den potentielle energi til at ændre form og udføre bevægelsen, men det holder på den energi, indtil materialet når en faseovergangstemperatur. På det tidspunkt, krystallen ønsker at frigive denne energi. Hvis det ikke er bundet til noget, krystallen vil bare springe eller krølle, men ved at fastgøre det i den ene ende, vi kan lede hvordan den energi frigives.

"Det er stadig en enkelt krystal, men dets molekyler er nu i et andet pakningsarrangement, der har en lavere energi."

Gassensmith sagde, at næste skridt er at undersøge forskellige variationer af materialet yderligere, herunder om materialernes bøjningsadfærd kan inkorporeres i farveskiftende sensorer eller fungere som en mekanisk afbryder inde i organisk elektronik.

"Det bliver interessant at se, om vi kan fremkalde krølning i disse krystaller elektronisk, " sagde han. "I princippet, vi burde være i stand til at anvende en elektrisk strøm til at løfte ting, i stedet for at bruge en masse varmeapparater."