Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe manier ontwikkeld om dynamische moleculaire kenmerken in zachte materialen te volgen. inclusief de hoogfrequente moleculaire trillingen die warmtegolven overbrengen, geluid, en andere vormen van energie. Het beheersen van deze trillingsgolven in zachte materialen zoals polymeren of vloeibare kristalverbindingen zou kunnen leiden tot een reeks op energie geïnspireerde innovaties - van thermische en akoestische isolatoren, naar manieren om restwarmte om te zetten in elektriciteit, of licht in mechanische beweging.

In een krant die net is gepubliceerd in Nano-letters , de wetenschappers beschrijven het gebruik van de nieuw geconstrueerde inelastische röntgenverstrooiing (IXS) bundellijn bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), die een ongekende energieresolutie heeft, om de voortplanting van trillingen door een vloeibaar-kristalverbinding in drie verschillende fasen te volgen. Hun bevindingen tonen aan dat de structurele veranderingen op nanoschaal die optreden bij toenemende temperatuur - naarmate de vloeibare kristallen minder geordend worden - de stroom van trillingsgolven dramatisch verstoren. Dus het kiezen of veranderen van de "fase, " of rangschikking van moleculen, kon de trillingen en de stroom van energie beheersen.

"Door de structuur af te stemmen, we kunnen de dynamische eigenschappen van dit materiaal veranderen, " zei Brookhaven-natuurkundige Dima Bolmatov, hoofdauteur van de krant.

De techniek kan ook worden gebruikt om dynamische processen in andere zachte systemen te bestuderen, zoals biologische membranen of elke soort complexe vloeistof.

"Bijvoorbeeld, we zouden kunnen kijken hoe de lipidemoleculen in een celmembraan met elkaar samenwerken om kleine poreuze gebieden te creëren waar nog kleinere moleculen, zoals zuurstof of koolstofdioxide, kan passeren - om te zien hoe gasuitwisseling werkt in kieuwen en longen, ' zei Bolmatov.

De mogelijkheid om zulke snelle dynamische eigenschappen te volgen zou niet mogelijk zijn zonder de unieke mogelijkheden van NSLS-II, een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven Lab. NSLS-II produceert extreem heldere röntgenstralen voor studies in een breed scala van wetenschappelijke gebieden.

Bij de IXS-bundellijn, wetenschappers bombarderen monsters met deze röntgenstralen en meten de energie die ze opgeven of winnen met een precisie tot op tweeduizendste van een elektronvolt, evenals de hoek waaronder ze van het monster verstrooien, zelfs onder zeer kleine hoeken.

"De energie-uitwisseling vertelt ons hoeveel energie het kostte om sommige moleculen in een golfachtige beweging te laten trillen. De verstrooiingshoek onderzoekt de trillingen die zich over verschillende lengteschalen in het monster voortplanten - van bijna een enkel molecuul tot tientallen nanometers. De nieuwe IXS-bundellijn bij NSLS-II kan die lengteschalen met ongekende precisie oplossen, " zei Yong Cai, de hoofdwetenschapper van de IXS-bundellijn.

"Deze twee parameters - de verstrooiingshoek en de energie - zijn nog nooit zo goed gemeten in zachte materialen. Dus de technische eigenschappen van deze bundellijn stellen ons in staat om de trillingen nauwkeurig te lokaliseren en hun voortplanting in verschillende richtingen over verschillende lengteschalen te volgen - zelfs in materialen die een goed geordende solide structuur missen, " hij voegde toe.

In de studie met vloeibare kristallen, de Brookhaven Lab-wetenschappers en hun medewerkers aan de Kent State University en de University in Albany hebben metingen gedaan bij drie verschillende temperaturen terwijl het materiaal van een geordende, kristallijne fase door overgangen naar een minder geordende "smectische" toestand, en tenslotte een "isotrope" vloeistof. Ze detecteerden gemakkelijk de voortplanting van trillingsgolven door de meest geordende fase, en toonde aan dat de opkomst van wanorde de voortplanting van lage energie "akoestische afschuif" trillingen "doodde". Akoestische schuiftrillingen worden geassocieerd met een compressie van de moleculen in een richting loodrecht op de voortplantingsrichting.

"Weten waar de dynamische grens ligt - tussen het materiaal dat zich gedraagt ​​​​als een geordende vaste stof en een ongeordend zacht materiaal - geeft ons een manier om de overdracht van energie op nanoschaal te regelen, ' zei Bolmatov.

In de "smectische" fase, de wetenschappers observeerden ook een trilling die in plaats daarvan werd geassocieerd met moleculaire kanteling. Dit type vibratie kan interageren met licht en het absorberen omdat de terahertz-frequentie van de trillingen overeenkomt met de frequentie van infrarood licht of hittegolven. Dus het veranderen van de materiaaleigenschappen kan de manier bepalen waarop deze vormen van energie door het materiaal bewegen. Die veranderingen kunnen worden bereikt door de temperatuur van het materiaal te veranderen, zoals in dit experiment werd gedaan, maar ook door het aanleggen van externe elektrische of magnetische velden, zei Bolmatov.

Dit maakt de weg vrij voor nieuwe zogenaamde fononische of optomechanische toepassingen, waar geluid of licht is gekoppeld aan de mechanische trillingen. Een dergelijke koppeling maakt het mogelijk om een ​​materiaal te sturen door licht en geluid van buitenaf toe te passen of omgekeerd.

"We zijn allemaal bekend met toepassingen waarbij de optische eigenschappen van vloeibare kristallen in beeldschermen worden gebruikt, "Zei Bolmatov. "We hebben nieuwe eigenschappen gevonden die kunnen worden gecontroleerd of gemanipuleerd voor nieuwe soorten toepassingen."

Het team zal de studies van zachte materialen bij IXS voortzetten, inclusief geplande experimenten met blokcopolymeren, nanodeeltjes assemblages, lipide membranen, en andere vloeibare kristallen in de zomer.

"De IXS-bundellijn is nu ook opengesteld voor externe gebruikers, waaronder wetenschappers die geïnteresseerd zijn in deze en andere zachte materialen en biologische processen, ' zei Cai.