Flydende krystalmolekyler danner nano-ringe

Hos DESYs røntgenkilde PETRA III, forskere har undersøgt en spændende form for selvsamling i flydende krystaller:Når de flydende krystaller fyldes i cylindriske nanoporer og opvarmes, deres molekyler danner ordnede ringe, når de afkøles - en tilstand, der ellers ikke forekommer naturligt i materialet. Denne adfærd muliggør nanomaterialer med nye optiske og elektriske egenskaber, som holdet ledet af Patrick Huber fra Hamburg University of Technology (TUHH) rapporterer i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

Forskerne studerede en speciel form for flydende krystaller, der består af skiveformede molekyler kaldet diskotiske flydende krystaller. I disse materialer, skivemolekylerne kan dannes høje, elektrisk ledende søjler af sig selv, stables op som mønter. Forskerne fyldte diskotiske flydende krystaller i nanoporer i et silikatglas. De cylindriske porer havde en diameter på kun 17 nanometer (milliontedele af en millimeter) og en dybde på 0,36 millimeter.

der, de flydende krystaller blev opvarmet til omkring 100 grader Celsius og afkølet langsomt. De oprindeligt uorganiserede skivemolekyler dannede koncentriske ringe arrangeret som runde buede søjler. Starter fra kanten af ​​poren, den ene ring efter den anden dannedes gradvist med faldende temperatur, indtil ved ca. 70 grader Celsius var hele tværsnittet af poren fyldt med koncentriske ringe. Ved genopvarmning, ringene forsvandt efterhånden igen.

"Denne ændring af molekylstrukturen i indesluttede flydende krystaller kan overvåges med røntgendiffraktionsmetoder som funktion af temperatur og med høj nøjagtighed, " siger medforfatter og DESY-forsker Milena Lippmann, som forberedte og deltog i eksperimenterne ved High-Resolution Diffraction Beamline P08 ved PETRA III. "Kombinationen af ​​symmetri og indespærring giver anledning til uventede, nye faseovergange, " siger Marco Mazza fra Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen, hvor processen blev modelleret med computersimuleringer. Til dette formål, MPI-forsker Arne Zantop udtænkte en teoretisk og numerisk model for de nanobundne flydende krystaller, der bekræftede de eksperimentelle resultater og hjælper med at fortolke dem.

De enkelte ringe dannes trinvist ved karakteristiske temperaturer. "Dette gør det muligt at tænde og slukke for individuelle nanoringe ved små ændringer i temperaturen, " understreger hovedforfatter Kathrin Sentker fra TUHH. Hun havde bemærket dette fænomen gennem overraskende trinlignende signalændringer i laseroptiske eksperimenter. Mens sådanne kvantificerede ændringer normalt kun forekommer ved meget lave temperaturer, det flydende krystalsystem viser denne kvanteadfærd allerede et godt stykke over stuetemperatur.

Da de opto-elektriske egenskaber af diskotiske flydende krystaller ændres med dannelsen af ​​molekylære søjler, den nanopore-begrænsede variant er en lovende kandidat til design af nye optiske metamaterialer med egenskaber, der kan styres trinvist gennem temperatur. De undersøgte nanostrukturer kan også føre til nye anvendelser i organiske halvledere, såsom temperatur-omskiftelige nanotråde, forklarer medforfatter Andreas Schönhals fra Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), det tyske forbundsinstitut for materialeforskning og -prøvning, som er interesseret i disse systemers termiske og elektriske egenskaber.

"Fænomenet er et fint eksempel på, hvordan alsidigt blødt stof kan tilpasse sig ekstreme rumlige begrænsninger, og hvordan dette kan føre til ny indsigt i fysik samt nye design- og kontrolprincipper for selvorganisering af funktionelle nanomaterialer, " forklarer hovedefterforsker Huber.