Vloeibare kristallen worden overal in gebruikt, van kleine digitale horloges tot enorme televisieschermen, van optische apparaten tot biomedische detectoren. Toch is er weinig bekend over hun precieze moleculaire structuur wanneer delen van dergelijke kristallen in wisselwerking staan ​​met lucht.

Nieuw onderzoek onder leiding van Juan de Pablo, de Liew Family Professor aan het Institute for Molecular Engineering, onthult voorheen onbekende kenmerken die zich ontwikkelen op het grensvlak tussen lucht en bepaalde veel bestudeerde vloeibare kristallen.

"Vloeibare kristallen zijn betrouwbare verslaggevers van moleculaire gebeurtenissen, en hun effectiviteit is afhankelijk van het beheersen van hun moleculaire oriëntatie op een grensvlak, "De Pablo. "Het precieze begrip van deze interface, verkregen door ons onderzoek, zal het ontwerp van betere vloeibaar-kristalsensoren en displays mogelijk maken."

Voor het onderzoek gepubliceerd op 8 februari in de Tijdschrift van de American Chemical Society , de Pablo werkte met een team van wetenschappers aan de Universiteit van Chicago, waaronder Binhua Lin en Benoit Roux, en aan de Universiteit van Illinois in Chicago en de Universiteit van Wisconsin. Ze gebruikten geavanceerde synchrotron-röntgenstralen in het Argonne National Laboratory en grootschalige simulaties om de moleculaire details te reconstrueren.

Vloeibare kristallen bestaan ​​in een toestand tussen vloeistoffen en vaste stoffen, waardoor ze kunnen stromen als een vloeistof, maar ook enkele eigenschappen van een vaste stof hebben. Hun moleculen hebben een staafachtige structuur die op verschillende manieren kan worden georganiseerd. Bepaalde vloeibare kristallen ondergaan faseovergangen als reactie op temperatuurveranderingen. In de nematische fase de staafachtige moleculen staan ​​op een wanordelijke maar parallelle manier op een rij. In de smectische fase, ze staan ​​ook parallel, maar in georganiseerde lagen.

"Ons onderzoek bracht een aantal voorheen onbekende kenmerken aan het licht, " zei de Pablo. "Bijvoorbeeld, onze bevindingen geven aan dat de interface een zeer geordende, solide-achtige structuur in het vloeibare kristalmateriaal. Deze structuur plant zich vervolgens goed voort in het grootste deel van het vloeibare kristal, vooral voor nematische en smectische fasen."

Het onderzoek vond vergelijkbare kenmerken tussen veel bestudeerde vloeibare kristallen nematisch 4-pentyl-4′-cyanobifenyl en smectisch 4-octyl-4′-cyanobifenyl. Beiden staan ​​loodrecht op het grensvlak van lucht-vloeibare kristallen en vertonen goed gedefinieerde, oppervlakte-geïnduceerde lagen op het grensvlak. Toen beide werden verwarmd tot een volledig vloeibare fase, slechts een enkele laag gestructureerde moleculen werd gevormd op het grensvlak tussen de vloeistof en de lucht.

De onderzoekers zijn van plan om de grensvlakken van vloeibare kristallen en waterige elektrolyten te bestuderen om de effecten van elektrostatische interacties en de oriënterende ordening van vloeibare kristallen te begrijpen.

"Deze resultaten zullen met name belangrijk zijn bij het begeleiden van het ontwerp van responsieve vloeibaar-kristalinterfaces voor het detecteren van chemicaliën en biologische moleculen, ’ concludeerde de krant.