Forskere anvender temperaturgradienter til at vokse og flytte flydende krystaller

Lever et dobbeltliv som både faste stoffer og væsker, flydende krystaller indtager centrum for at skabe mindre, hurtigere og mere effektive teknologier. Selv på niveau med enkeltpartikler, flydende krystaller kan bøje lys og reagere på eksterne kræfter, som elektriske felter eller fysiske skub og træk. Også, en lille mængde flydende krystaller er normalt nok til at opnå høj ydeevne i mange applikationer, lige fra monitorskærme til solpaneler.

Men for fuldt ud at udnytte en flydende krystals vidunderlige egenskaber, dets partikler skal samles systematisk.

I en ny undersøgelse, Forskere fra Texas A&M University har opdaget, at anvendelse af en lille forskel i temperatur på en udvandet blanding af en forbindelse kaldet zirconiumphosphat initierer dens flydende krystallisation. Når zirconiumphosphat-partikler bevæger sig mod varmere temperaturer, de begynder at tilpasse sig hinanden og bliver til sidst til rene flydende krystaller, sagde forskerne.

"Vores er den første proof-of-concept undersøgelse, der viser, at temperaturgradient er en effektiv, alligevel enkel, værktøj til at samle flydende krystaller af høj kvalitet, " sagde Dr. Zhengdong Cheng, professor i Artie McFerrin Department of Chemical Engineering. "Også, vores resultater indikerer, at vi kan flytte flydende krystaller ved blot at variere temperaturen, en egenskab, der potentielt kan bruges til at transportere flydende krystalpartikler fra et sted til et andet, dermed baner vejen for anvendelser ud over dem, der almindeligvis forbindes med flydende krystaller i dag."

Forskerne rapporterede deres resultater i oktoberudgaven af ​​tidsskriftet ACS Nano .

Flydende krystaller repræsenterer en tilstand af stof, der ligger et sted mellem faste stoffer og væsker. Ligesom molekyler i faste stoffer, der danner krystaller, dem i flydende krystaller er arrangeret på en semi-systematisk måde, som biler på en delvis fuld parkeringsplads. Men flydende krystaller er også flydende og kan antage enhver form som væsker. Desuden, i deres flydende krystal-avatar, materialer viser ofte eksotiske egenskaber. For eksempel, de opdeler lysstråler eller ændrer deres molekylære justeringer som reaktion på elektriske felter.

Men hvorvidt et materiale kan antage en flydende krystaltilstand afhænger af den overordnede form af deres bestanddele. Stoffer, der består af sfæriske partikler, danner ikke flydende krystaller. På den anden side, materialer, der består af partikler, der er aflange som stænger eller flade som skiver, danner flydende krystaller. Cheng og hans team var især interesseret i zirconiumphosphat, fordi dets skivelignende partikler har evnen til selv at samle sig til større, flade 2-D strukturer i deres flydende krystallinske tilstand.

"Mange partikler fundet i naturen, som røde blodlegemer, nukleosomer og lerpartikler, er skiveformet og under de rette omstændigheder, de kan selv samles til flydende krystaller, " sagde Cheng. "Så, vi brugte zirconiumphosphat som en proxy til at undersøge, om der er en måde til eksperimentelt at kontrollere væskekrystallisationen af ​​disse partikler. "

Zirconiumphosphat har vist sig at samle sig til flydende krystaller alene, hvis der tilsættes store nok mængder til vandet. Men de resulterende flydende krystaller har ofte defekter og er ustabile. Så, Cheng og hans team fandt på en alternativ tilgang.

Cheng havde tidligere vist, at anvendelse af en temperaturforskel kunne få sfæriske partikler til at samle sig til klumper af krystaller. Ved at bruge samme princip, hans hold undersøgte, om varierende temperaturer kunne bruges til at samle zirconiumphosphat til flydende krystaller.

Til deres eksperimenter, Texas A&M-teamet lavede en blanding af zirconiumphosphat og vand og fyldte det i tynde, to-tommer lange rør, at sikre, at mængden af ​​zirconiumphosphat var lille nok til ikke at udløse automatisk væskekrystallisation. Næste, de tilførte varme på en sådan måde, at temperaturforskellen mellem begge ender af røret var omkring 10 grader.

Inden for en time, Cheng og hans team fandt ud af, at zirconiumphosphatpartiklerne i den køligere ende af røret begyndte at krybe mod den varmere ende, udløser flydende krystallisation fra rørets varmere ende.

"Ligesom vand i en kogende gryde cirkulerer fra bunden, hvor det er varmt, til toppen af ​​beholderen, hvor det er koldt, vand i vores rør cirkulerede også fra varmere til køligere temperaturer, " sagde Dali Huang, kandidatstuderende ved Texas A&M College of Engineering og en primær forfatter til undersøgelsen. "Derfor, zirconiumphosphatpartiklerne bevægede sig også i vandstrømmens retning og ordnede sig i flydende krystaller. "Forskerne spekulerede i, at skubbet fra det rindende vand hjælper zirconiumphosphatpartikler med at placere sig systematisk, indtil de danner flydende krystaller. Også, de fandt ud af, at de flydende krystaller skabt med temperaturgradienter var mindre defekte end dem, der blev dannet ved andre metoder.

Cheng bemærkede, at deres resultater åbner nye døre til brug i en række forskellige sammenhænge.

"I kraft af deres form, skiveformede partikler har et større overfladeareal i forhold til deres volumen, " sagde Cheng. "Hvis vi tænker på den næste generation af biomedicinsk udstyr, for eksempel, vi kan potentielt drage fordel af denne geometri til at lægge medicinske partikler på deres flade overflader og derefter variere temperaturen for at transportere dem til en bestemt del af kroppen. "