Røntgenundersøgelse afslører måde at kontrollere molekylære vibrationer, der overfører varme

Forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory har udviklet en ny måde at spore dynamiske molekylære træk i bløde materialer, herunder højfrekvente molekylære vibrationer, der transmitterer varmebølger, lyd, og andre energiformer. Styring af disse vibrationsbølger i bløde materialer såsom polymerer eller flydende krystalforbindelser kan føre til en række energiinspirerede innovationer-fra termiske og akustiske isolatorer, til måder at omdanne spildvarme til elektricitet, eller lys i mekanisk bevægelse.

I et papir, der netop blev offentliggjort i Nano bogstaver , forskerne beskriver ved hjælp af den nyligt konstruerede uelastiske røntgenspredning (IXS) beamline ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), som har en hidtil uset energiopløsning, at overvåge spredning af vibrationer gennem en flydende krystalforbindelse i tre forskellige faser. Deres fund viser, at de strukturelle ændringer i nanoskala, der sker med stigende temperatur - efterhånden som de flydende krystaller bliver mindre ordnede - forstyrrer dramatisk strømmen af ​​vibrationsbølger. Således vælger eller ændrer "fasen, "eller arrangement af molekyler, kunne kontrollere vibrationerne og energistrømmen.

"Ved at justere strukturen, vi kan ændre dette materiales dynamiske egenskaber, "sagde Brookhaven -fysikeren Dima Bolmatov, papirets hovedforfatter.

Teknikken kan også bruges til at studere dynamiske processer i andre bløde systemer, såsom biologiske membraner eller enhver form for kompleks væske.

"For eksempel, vi kunne se på, hvordan lipidmolekylerne i en cellemembran samarbejder med hinanden for at skabe små porøse områder, hvor endnu mindre molekyler, som ilt eller kuldioxid, kan passere igennem - for at se, hvordan gasudveksling fungerer i gæller og lunger, "Sagde Bolmatov.

Evnen til at spore sådanne hurtige dynamiske egenskaber ville ikke være mulig uden NSLS-II's unikke muligheder-en DOE Office of Science User Facility på Brookhaven Lab. NSLS-II producerer ekstremt lyse røntgenstråler til undersøgelser inden for en lang række videnskabelige områder.

Ved IXS beamline, forskere bombarderer prøver med disse røntgenstråler og måler den energi, de giver op eller får med en præcision til inden for to tusindedele af en elektron volt, samt vinklen, hvorunder de spreder prøven - selv i meget små vinkler.

"Energiudvekslingen fortæller os, hvor meget energi det tog at få nogle molekyler til at vibrere i en bølgelignende bevægelse. Spredningsvinklen sonderer vibrationerne, der formerer sig over forskellige længdeskalaer inde i prøven-fra næsten et enkelt molekyle til titalls nanometer. Den nye IXS beamline ved NSLS-II kan løse disse længdeskalaer med en hidtil uset præcision, "sagde Yong Cai, hovedforsker for IXS beamline.

"Disse to parametre - spredningsvinklen og energien - er aldrig før blevet målt så godt i bløde materialer. Så de strålingslinjers tekniske egenskaber gør det muligt for os præcist at lokalisere vibrationerne og spore deres udbredelse i forskellige retninger over forskellige længdeskalaer - selv i materialer, der mangler en velordnet solid struktur, " han tilføjede.

I flydende krystalstudiet, Brookhaven Lab -forskerne og deres samarbejdspartnere ved Kent State University og University i Albany foretog målinger ved tre forskellige temperaturer, da materialet gik fra en bestilt, krystallinsk fase gennem overgange til en mindre ordnet "smektisk" tilstand, og endelig en "isotrop" væske. De opdagede let udbredelsen af ​​vibrationsbølger gennem den mest ordnede fase, og viste, at fremkomsten af ​​uorden "dræbte" udbredelsen af ​​lavenergi "akustisk forskydning" vibrationer. Akustiske forskydningsvibrationer er forbundet med en komprimering af molekylerne i en retning vinkelret på forplantningsretningen.

"At vide, hvor den dynamiske grænse er - mellem materialet, der opfører sig som et ordnet fast stof og et uordentligt blødt materiale - giver os en måde at kontrollere overførsel af energi på nanoskalaen, "Sagde Bolmatov.

I den "smektiske" fase, forskerne observerede også en vibration, der i stedet var forbundet med molekylær hældning. Denne type vibrationer kan interagere med lys og absorbere det, fordi vibrationernes terahertz -frekvens matcher frekvensen af ​​infrarødt lys eller hedebølger. Så ændring af materialegenskaberne kan styre den måde, disse energiformer bevæger sig gennem materialet på. Disse ændringer kan opnås ved at ændre materialets temperatur, som det blev gjort i dette eksperiment, men også ved at anvende eksterne elektriske eller magnetiske felter, Sagde Bolmatov.

Dette baner vejen for nye såkaldte fononiske eller optomekaniske applikationer, hvor lyd eller lys er forbundet med de mekaniske vibrationer. En sådan kobling gør det muligt at styre et materiale ved at anvende eksternt lys og lyd eller omvendt.

"Vi er alle bekendt med applikationer, der bruger de optiske egenskaber for flydende krystaller på skærme, "Bolmatov sagde." Vi har fundet nye ejendomme, der kan styres eller manipuleres til nye former for applikationer. "

Teamet vil fortsætte undersøgelser af bløde materialer på IXS, herunder planlagte forsøg med blokcopolymerer, nanopartikelsamlinger, lipidmembraner, og andre flydende krystaller hen over sommeren.

"IXS beamline er også nu åbnet for eksterne brugere - herunder forskere, der er interesseret i disse og andre bløde materialer og biologiske processer, "sagde Cai.