Flertrinsmekanisme til dannelse af nanostruktur i flydende krystal

De fleste af vores daglige varer, såsom plastik, legeringer og forarbejdede fødevarer, leveres som faste stoffer, og de behandles ofte ved en kontrolleret afkølingsproces fra en flydende blanding til et fast stof. Flydende krystaller, løsninger, polymerer, og biomaterialer danner en bred vifte af strukturelle mønstre som følge af forskelle i køleprocesserne. Disse mønstre giver en mangfoldighed af funktioner, og kan i væsentlig grad påvirke faste produkters egenskaber. Af denne grund, forståelse af, hvordan afkølingsprocessen forløber, og hvordan den kan kontrolleres, er vigtig inden for forskellige forskningsfelter såsom fysik, biologi, materialevidenskab, og teknik.

I mange tilfælde, dannelsen af ​​et fast stof i en afkølingsproces initieres med dannelsen af ​​nanostrukturer, som den klassiske nukleationsteori (CNT) har givet en simpel forklaring på. Imidlertid, CNT kan ikke kvantitativt redegøre for nogle vigtige fysiske egenskaber, såsom hastigheden af ​​nanostrukturdannelse. Molekylære simuleringer er lovende midler som en teknologi, der muliggør observation af mikroskopiske bevægelser af individuelle molekyler, at tælle antallet af nanostrukturer, og kvantificere, hvordan de stiger. Imidlertid, der er mange slags nanostrukturer, der er svære at observere ved brug af molekylære simuleringer alene, og kombinationer af molekylære simuleringer med andre avancerede teknologier er ved at blive forudset for at overvinde denne vanskelighed. For eksempel, eksistensen af ​​karakteristiske nanostrukturer i flydende krystaller under afkølingsprocessen er blevet forudsagt baseret på røntgenspredningsforsøg. detaljerne i sådanne nanostrukturer kunne ikke afsløres ved molekylære simuleringer alene og er forblevet et åbent spørgsmål. Det har derfor været meget ønsket at udvikle beregningsteknologier, der giver nye analysemetoder til identifikation af nanostrukturer med høj nøjagtighed, lette design af innovative materialer.

Et af målene for "Ultra High-Throughput Design and Prototyping Technology for Ultra Advanced Materials Development Project" af New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) er at fremskynde udviklingen af ​​organiske og polymere funktionelle materialer gennem treenigheden af ​​beregningsmæssigt videnskab, procesteknologi, og måleteknologi. Som en del af dette projekt, Dr. Kazuaki Z. Takahashi, Seniorforsker ved Forskningscenter for Computational Design of Advanced Functional Materials (CD-FMat), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Dr. Takeshi Aoyagi, Hovedforskningsleder for CD-FMat, AIST, og Dr. Jun-ichi Fukuda, Professor ved Institut for Fysik, Det Naturvidenskabelige Fakultet, Kyushu Universitet, har udviklet teknologier, der sigter mod kontrol af materialestrukturer, særlig opmærksomhed på nanostrukturering som udgangspunkt. Deres undersøgelse fokuserer på afkølingsprocessen af ​​flydende krystaller, typiske organiske og polymere funktionelle materialer.

De har udviklet en ny analysemetode, der kombinerer molekylær simulering og kunstig intelligens (AI) for at observere processen med dannelsen af ​​karakteristiske nanostrukturer i quenched flydende krystaller. De opdagede en tre-trins proces med nanostrukturering, som ikke kan forklares med klassisk nukleationsteori, og præciserede også dens mekanisme.

Forskningsresultaterne blev offentliggjort i et britisk tværfagligt videnskabeligt tidsskrift Naturkommunikation den 6. september, 2021.