Vloeibare kristallen zijn fascinerende materialen die eigenschappen van zowel vloeistoffen als kristallen vertonen. Ze bestaan ​​uit lange, staafvormige moleculen die zich op verschillende manieren kunnen uitlijnen, waardoor verschillende optische eigenschappen ontstaan. Vloeibare kristallen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder displays, lasers en sensoren.

Een van de belangrijkste eigenschappen van vloeibare kristallen is hun vermogen om geordende structuren te vormen. Deze ordening is essentieel voor de optische eigenschappen van de materialen en hun vermogen om te functioneren als displays en andere apparaten.

Hoe de orde precies voor het eerst verschijnt in vloeibare kristallen is al tientallen jaren een onderwerp van debat en onderzoek. Nu heeft een team onderzoekers van de Universiteit van Colorado Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST) een krachtige röntgentechniek gebruikt om de eerste directe beelden van het bestelproces vast te leggen, een ontdekking die zou kunnen leiden tot nieuwe en verbeterde op vloeibare kristallen gebaseerde apparaten.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd X-ray photon correlatie spectroscopie (XPCS) om het bestelproces in vloeibare kristallen te bestuderen. XPCS is een techniek waarmee onderzoekers de dynamiek van materialen op nanoschaal kunnen meten.

In hun experimenten verwarmden de onderzoekers een monster vloeibaar kristal tot een temperatuur net onder het punt waarop het zou overgaan van een vloeibare naar een kristallijne fase. Vervolgens gebruikten ze XPCS om de fluctuaties in de dichtheid van de vloeibare kristalmoleculen te meten toen ze zichzelf in een kristallijne structuur begonnen te ordenen.

Uit de XPCS-metingen van de onderzoekers bleek dat het bestelproces in vloeibare kristallen in twee stappen verloopt. In de eerste stap vormen de moleculen kleine, geordende clusters die willekeurig door de vloeistof worden verdeeld. In de tweede stap groeien deze kleine clusters en smelten ze samen, waardoor ze uiteindelijk één groot, geordend kristal vormen.

De onderzoekers geloven dat de vorming van clusters voorafgaand aan de vorming van een enkel kristal te wijten is aan het feit dat de vloeibare kristalmoleculen een sterke neiging hebben om zich op één lijn te brengen met hun buren. Deze neiging om uit te lijnen leidt tot de vorming van kleine, geordende clusters, die vervolgens fungeren als kiemplaatsen voor de groei van het enkele kristal.

De bevindingen van de onderzoekers hebben belangrijke implicaties voor het ontwerp en de ontwikkeling van op vloeibare kristallen gebaseerde apparaten. Door te begrijpen hoe orde voor het eerst verschijnt in vloeibare kristallen, kunnen onderzoekers de optische eigenschappen van deze materialen beter controleren en apparaten ontwerpen die betere prestaties leveren.

Referenties

Het artikel is hier te vinden:https://www.nature.com/articles/s41467-023-36317-0

Een toegankelijk nieuwsartikel van de Universiteit van Colorado, Boulder, vindt u hier:https://www.colorado.edu/today/2023/03/14/ordering-liquid-crystals-revealed