В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи из Пенсильванского университета и Swarthmore College описывают новое исследование типа жидких кристаллов, которые растворяются в воде, а не избегают ее, как масляные жидкие кристаллы, обнаруженные в дисплеях. Это свойство означает, что эти жидкие кристаллы обладают потенциалом для биомедицинских приложений, где их изменяющиеся внутренние структуры могут сигнализировать о присутствии определенных белков или других биологических макромолекул.Исследователи поместили эти жидкие кристаллы в капли воды, которые, в свою очередь, поместили в масло, образуя эмульсию. При достаточно высоких концентрациях внутри капель жидкие кристаллы демонстрируют узор скручивания, видимый в оптическом микроскопе.
Однако при еще более высоких концентрациях жидкие кристаллы демонстрируют еще более необычное поведение: составляющие их молекулы складываются, образуя столбики, которые организуются в кристаллические структуры и превращают обычно сферические капли воды в ограненные жидкие драгоценные камни.Исследованием руководили научный сотрудник Джуну Чжон и аспирант Зои Дэвидсон, члены исследовательской группы Арджуна Йода в Пенсильвании. Йодх руководит лабораторией исследования структуры материи и является профессором кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук. Завершают сотрудничество Том Любенский, также профессор кафедры физики и астрономии Пенна, и Питер Коллингс, профессор кафедры физики и астрономии в Свортморе.
«Наша долгосрочная цель, — сказал Йод, — состоит в том, чтобы лучше понять и контролировать эту жидкокристаллическую систему, чтобы использовать ее возможности для создания новых полезных материалов. Исследования с использованием этого типа жидких кристаллов находятся на той же стадии, что и отображать жидкие кристаллы в начале 70-х. Первые дисплеи были ограничены до тех пор, пока их свойства не были действительно поняты ».
Тип жидких кристаллов, которые исследователи исследовали в этом исследовании, — это лиотропные хромоновые жидкие кристаллы или ЖКЖХ. Они содержат органические соли, широко известные как «желтый закат» или «желтый 6», широко используемый пищевой краситель, который содержится в апельсиновой газировке, закусках со вкусом сыра и многих других продуктах.При помещении в воду отдельные молекулы красителя складываются, как фишки для игры в покер, образуя микроскопические стержни. Затем жидкие кристаллы, содержащие капли воды, смешивают с масляной суспензией вместе с мылоподобными поверхностно-активными веществами.
Когда один конец притягивается к воде, а другой конец отталкивается ею, молекулы поверхностно-активного вещества перемещаются к поверхности капли, когда она погружена в масло. Это помогает стабилизировать каплю в сферу, которая является оптимальной формой для минимизации поверхностной энергии.
Как только капли попадают в масляную эмульсию, стержни взаимодействуют друг с другом, образуя различные типы выровненных фаз. В отличие от жидких кристаллов в дисплеях, фазы или структуры, образованные лиотропными жидкими кристаллами, зависят от их концентрации. Чтобы варьировать концентрацию ЖХЖХ, исследователи начали с различных концентраций молекул красителя в каплях и позволили концентрации увеличиваться дальше по мере диффузии воды из капель.
При достаточно высоком уровне концентрации стержни сдвигаются настолько близко друг к другу, что они начинают выравниваться параллельно друг другу, образуя так называемую «нематическую» фазу. Это дает капле четко очерченную ось север-юг, проходящую через ее центр.
Стержни около этой оси выстраиваются параллельно, пока не дойдут до двух «полюсов», где стержни не ориентированы относительно друг друга.Этот паттерн является результатом тенденции жидкого кристалла перестраиваться в «простейшее» состояние с наименьшей энергией.
И, как и жидкие кристаллы в дисплеях, на это состояние могут влиять внешние эффекты, и результирующее поведение может быть использовано в приложениях.«Большая часть работы, которая проводится для понимания этих типов жидкокристаллических систем, — сказал Коллингс, — состоит в том, чтобы оказать на них два конкурирующих влияния, таких как естественная тенденция молекул идеально выстраиваться в линию против некоторого ограничения или внешнего поля, которое говорит: «Мы не позволим тебе этого сделать» ».Удержание в данном случае представляет собой сферическую поверхность капли.«Стержни хотят выровняться параллельно друг другу, — сказал Чон, — но они также хотят выровняться с границей падения, и они не могут делать и то, и другое одновременно.
Таким образом, стержни должны подвергаться деформации. Интересно, что в этом случае они скручиваются, чтобы приспособиться к этому ограничению ".Этот поворот не изменяет форму отдельных стержней, которые остаются прямыми, а скорее меняет ориентацию стержней относительно друг друга.
Если смотреть на каплю так, чтобы стержни были направлены вертикально вдоль ее оси, это закручивание происходит вдоль линий от оси до поверхности капли. Подобно прищепкам, прикрепленным к этим линиям, отдельные стержни могут поворачиваться из своего первоначального вертикального положения, поворачиваясь в среднем более чем на 90 градусов.Большинство жидких кристаллов на масляной основе, обнаруженных в дисплеях, аналогично реагируют на этот вид ограничения в том, что они образуют центральную ось с двумя полюсами, но по-другому в том, что они не отклоняются от этой оси.«Это означает, что, в отличие от жидкокристаллических дисплеев, все, что мы делаем с этими ЖКЖХ, должно учитывать этот поворот», — сказал Коллингс.
Эти модели зависят от свойств поверхности капли, поэтому на скручивание стержней могут влиять внешние молекулы, которые прикрепляются к поверхности и изменяют ее граничные условия.«Это свойство LCLC дает им возможность быть детектором», — сказал Йодх. «Небольшие изменения на молекулярном уровне могут вызвать изменения в структуре жидких кристаллов, видимые под микроскопом».Однако по мере дальнейшего увеличения концентрации капель жидкий кристалл переходит из нематической фазы в «столбчатую» фазу, в которой стержни собираются вместе, как пучки соломинок. Эта упаковка предотвращает скручивание стержней, поэтому они реагируют на сигнал с поверхности капли, выстраиваясь в ряды столбцов, сохраняя параллельность границе и вращая центральную ось капли.
Оказавшись в столбчатой фазе, упорядоченная внутренняя структура жидкого кристалла создает такую среду, что сфера больше не является оптимальной формой для минимизации поверхностной энергии капли. Поверхность притягивается к упорядоченному набору стержней, и внешняя часть капли начинает соответствовать гексагональной структуре упаковки столбцов, образуя грани.«Насколько нам известно, это первые капли эмульсии, содержащие жидкие кристаллы в столбчатой фазе», — сказал Йод. «Удивительно видеть, как поверхность капли эволюционирует.
Я никогда не видел капли воды в форме драгоценного камня!»Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Научно-техническим центром Пенна.