Молекулярное структурное изменение наноконфинированных жидких кристаллов

Исследователи проанализировали интересную форму самосборки в жидких кристаллах на рентгеновском источнике PETRA III в DESY – при заполнении жидких кристаллов в цилиндрические нанопоры и их нагревании упорядоченные кольца образуются их молекулами на охлаждение, состояние, которое обычно не происходит естественным образом в материале.

Команда, возглавляемая Патриком Хубером из Технологического университета Гамбурга (TUHH), описала в журнале Physical Review Letters что такая функция позволяет разрабатывать наноматериалы с инновационными электрическими и оптическими характеристиками.

. Вырез – вид в сильно самоорганизованный жидкий кристалл в нанопоре. (Image credit: A. Zantop / M. Mazza / K. Sentker / P. Huber, Max-Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation / Technische Universität Hamburg (TUHH))

Исследователи исследовали отличительный класс жидких кристаллов, которые включали дискообразные молекулы, известные как дискотические жидкие кристаллы. В таких материалах молекулы диска имеют возможность создавать высокие, электропроводящие столбы сами по себе, путем укладки как монеты. Команда заполнила нанопоры в силикатном стекле с дискотическими жидкими кристаллами. Диаметр цилиндрических пор составлял всего 17 нм (или одна миллионная доля 1 мм) и глубина 0,36 мм.

После наполнения жидкие кристаллы нагревали до почти 100 ° С и постепенно охлаждали. Концентрические кольца, выполненные в виде круглых изогнутых колонн, были сформированы изначально неорганизованными дисковыми молекулами. Начиная с края поры, кольца медленно формировались один за другим с понижением температуры. Когда температура достигала около 70 ° C, полное поперечное сечение пор было заполнено концентрическими кольцами. Когда кристаллы были разогреты, кольца медленно начали исчезать.

" Это изменение молекулярной структуры в замкнутых жидких кристаллах может контролироваться методами рентгеновской дифракции как функция температуры и с высокой точностью ", – заявила Милена Липпманн, ученый DESY и соавтор которые подготовили и приняли участие в экспериментах на высокоразрешающей дифракционной пучке P08 на PETRA III. « Сочетание симметрии и конфайнмента приводит к неожиданным новым фазовым переходам », – заявил Марко Мацца из Института динамики и самоорганизации Макса Планка в Геттингене, где этот процесс был разработан с помощью компьютерного моделирования , По этой причине исследователь MPI Арне Зантоп сформулировал численную и теоретическую модель для нано-ограниченных жидких кристаллов, которые подтвердили экспериментальные результаты и помогли их интерпретировать.

Отдельные кольца формировали шаг за шагом при определенных температурах. « Это позволяет включать и выключать отдельные наночастицы небольшими изменениями температуры », – повторил Катрин Сентер (ведущий автор исследования, который является из TUHH). Она наблюдала это явление через поразительно ступенчатые изменения сигнала в лазерно-оптических экспериментах. Хотя такие квантованные изменения обычно происходят только при более низких температурах, жидкокристаллическая система проявляет квантовое поведение, уже значительно превышающее температуру окружающей среды.

В связи с тем, что оптоэлектронные характеристики дискотических жидких кристаллов изменяются при образовании молекулярных колонок, альтернатива, ограниченная нанопорами, является удобным материалом для разработки инновационных оптических метаматериалов с характеристиками, которые можно регулировать пошаговым путем изменения температуры. Анализируемые наноструктуры также могут привести к инновационным применениям в органических полупроводниках, например, к терморегуляционным нанопроводам, описанному Андреасом Шёнхалсом, соавтором исследования, из Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Федерального института материалов Германии Исследований и испытаний, которые были заинтригованы электрическими и тепловыми характеристиками таких материалов.

Явление представляет собой прекрасный пример того, как универсальное мягкое вещество может адаптироваться к экстремальным пространственным ограничениям и как это может привести к новым представлениям о физике, а также к новым принципам проектирования и управления для самоорганизации функциональных наноматериалов

Патрик Хубер, главный следователь

В этом исследовании также участвовали ученые из Гельмгольца-центра Берлина (HZB) и Технологического университета Ченстоховы в Польше. Sentker и Huber являются членами Инициативы по совместным исследованиям SFB 986 «Многомасштабные системы материалов», посвященные разработке материалов с индивидуальными электрическими, механическими и фотонными характеристиками. Исследование, которое объединяет исследования исследований материалов в столичном регионе Гамбурга, финансируется Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), центральной организацией по финансированию исследований в Германии

Source link