Toen Lisa Tran patronen in vloeibare kristallen ging onderzoeken, ze wist niet wat ze kon verwachten. Toen ze voor het eerst door de microscoop keek, ze zag dansende iriserende bollen met vingerafdrukachtige patronen erin geëtst die spiraalsgewijs en plat werden naarmate de oplossing waarin ze dreven veranderde.

Het zicht was zo mooi dat Tran, een afgestudeerde student aan de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de School of Arts and Sciences van de University of Pennsylvania, stuurde een video ervan naar de Nikon Small World Competition en won uiteindelijk de vijfde plaats. Maar het belang van de resultaten gaat veel verder dan hun esthetische aantrekkingskracht, met mogelijke toepassingen in biosensing en energiewinning.

vloeibare kristallen, vloeistoffen met uitgelijnde fasen van samenstellende moleculen, worden in alles gebruikt, van computer- en televisieschermen tot stemmingsringen. Omdat vloeibare kristallen zijn gemaakt van staafvormige moleculen, ze hebben speciale optische eigenschappen, zoals het veranderen van kleur als ze interageren met elektrische signalen of licht.

Voor dit onderzoek is Tran sloot de vloeibare kristallen op in druppeltjes, schelpen maken die in het water drijven. Tran en haar adviseur, Randall Kamien, de Vicki en William Abrams Professor in de Natuurwetenschappen aan Penn, beschreef de druppeltjes als "fancy bubbels". Om patronen te maken, Tran voegde vervolgens oppervlakteactieve stoffen toe, of zeepachtige moleculen, naar het water.

"De manier waarop zeep meestal werkt, "Tran zei, "is dat je het mengt met water en het vormt kleine druppeltjes met de olie om het van je handen of je bord te verwijderen."

Omdat vloeibare kristallen vergelijkbaar zijn met olie, de oppervlakteactieve stoffen werden aangetrokken door de vloeibare kristallen omhulsels, waardoor de moleculen op verschillende manieren ordenen en opvallende patronen creëren. Hoe meer zeep ze aan de oplossing toevoegde, hoe meer de patronen veranderden. Door water toe te voegen, keerden de patronen om.

In staat zijn om de patronen die zich op de vloeibare kristallen vormen te beheersen, kan nuttig zijn bij het creëren van fragmentarische colloïden, microscopisch kleine deeltjes gesuspendeerd in water die gefunctionaliseerd zijn, wat betekent dat men moleculen kan hechten aan specifieke plekken op het deeltje.

"Als je denkt aan een pingpongbal, het is totaal oninteressant, "zei Kamien. "Maar dan denk je aan een golfbal, die qua grootte vergelijkbaar is, maar er zitten kuiltjes in. Dus het ding met Lisa's werk is dat door de patronen die je optisch ziet te controleren, het structureert het oppervlak fysiek, waardoor je er op bepaalde plekken dingen aan kunt bevestigen."

De krant, gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , werd geleid door Tran en Kamien in samenwerking met Kathleen Stebe, de Richer &Elizabeth Goodwin Professor, en professor Daeyeon Lee, in de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de School of Engineering and Applied Science. Ze werkten ook samen met de groep van Teresa López-León van de École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris.

Het onderzoek is een belangrijk onderdeel in een van de interdisciplinaire onderzoeksgroepen van Penn's recente $ 22,6 miljoen NSF Materials Research Science and Engineering Center-beurs. De groep werkt aan het maken van assemblages van nanokristallen op harde sjablonen en binnen zachte materialen die veelbelovend zijn voor toepassingen in sensing, energieconversie en optische signaalverwerking.

Het experiment van Tran was geïnspireerd op eerder onderzoek van Maxim Lavrentovich, een postdoctoraal onderzoeker in Penn, die nu een assistent-professor is aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville. Werken met Kamien, Lavrentovich onderzocht hoe verschillende patronen op stuifmeelkorrels specifiek waren voor verschillende soorten planten, vergelijkbaar met vlindervleugels.

Omdat vloeibare kristallen ook bekend staan ​​om het vormen van verschillende patronen, Tran onderzocht wat er zou gebeuren als de moleculen tot een bol zouden worden beperkt en patronen zouden vormen. Ze hoopte te zien hoe ze zouden inpakken en of ze zouden overeenkomen met enkele van de patronen die ze hadden gezien voor stuifmeelkorrels.

Hoewel de onderzoekers aanvankelijk polariserende microscopie gebruikten om dit te onderzoeken, ze ontdekten dat ze de druppels zonder een microscoop konden zien door de oplossing gewoon tegen het licht te houden. Omdat het vloeibare kristal reageert op wat er omheen gebeurt, kijken naar de patronen die de zeepmoleculen op de schelpen opwekken, kan als biosensor worden gebruikt.

"Als je ze van kleur of textuur kunt laten veranderen, alleen maar omdat er wat gif in de reageerbuis zit, "Kamien zei, "dan kun je het met je ogen zien, en je hebt niet eens een microscoop nodig."

Om dit onderzoek te vervolgen, Tran is geïnteresseerd in het incorporeren van nanodeeltjes met verschillende eigenschappen om nanodraden te maken, die kunnen worden gebruikt om energie-efficiëntere oogstapparatuur te maken die kan worden afgestemd op het licht in hun omgeving.

"Als je nanodeeltjes had die allemaal van metaal waren, " ze zei, "je zou ze langs de lijn kunnen laten volgen en, als je ze kruist, zodat ze stijf zijn, en spoel het vloeibare kristal weg, dan krijg je dit soort nanodraad met patronen die dan voor verdere toepassingen kan worden gebruikt."

Volgens Kamien, een van de meest interessante dingen die ze uit dit onderzoek hebben geleerd, is dat ze geen dure apparatuur nodig hebben om te zien hoe dingen zich organiseren op nanoschaal.

"Het idee, " hij zei, "Dat we dingen die zo klein zijn met grote handen kunnen manipuleren en ze op grote schalen kunnen bekijken, vind ik verbazingwekkend. Door iets in de oplossing te spuiten, kunnen we veranderen hoe de patronen eruit zien. We leiden niet alleen dingen af ​​over we controleren ze. We laten ze voor ons dansen. Het is waar dat elektronica hetzelfde doet met elektronen, maar je kunt de elektronen niet zien. Dit samenspel tussen optica en structuur is spannend."