Bij DESY's röntgenbron PETRA III, wetenschappers hebben een intrigerende vorm van zelfassemblage in vloeibare kristallen onderzocht:wanneer de vloeibare kristallen worden gevuld in cilindrische nanoporiën en worden verwarmd, hun moleculen vormen geordende ringen terwijl ze afkoelen - een toestand die anders van nature niet in het materiaal voorkomt. Dit gedrag maakt nanomaterialen met nieuwe optische en elektrische eigenschappen mogelijk, zoals het team onder leiding van Patrick Huber van de Hamburg University of Technology (TUHH) in het tijdschrift meldt Fysieke beoordelingsbrieven .

De wetenschappers bestudeerden een speciale vorm van vloeibare kristallen bestaande uit schijfvormige moleculen die discotische vloeibare kristallen worden genoemd. Bij deze materialen de schijfmoleculen kunnen hoog worden, elektrisch geleidende pilaren zelf, stapelen zich op als munten. De onderzoekers vulden discotische vloeibare kristallen in nanoporiën in een silicaatglas. De cilindrische poriën hadden een diameter van slechts 17 nanometer (miljoensten van een millimeter) en een diepte van 0,36 millimeter.

Daar, de vloeibare kristallen werden verwarmd tot ongeveer 100 graden Celsius en langzaam afgekoeld. De aanvankelijk ongeorganiseerde schijfmoleculen vormden concentrische ringen die waren gerangschikt als ronde gebogen kolommen. Beginnend vanaf de rand van de porie, de ene ring na de andere vormde zich geleidelijk met afnemende temperatuur totdat bij ongeveer 70 graden Celsius de gehele dwarsdoorsnede van de porie gevuld was met concentrische ringen. Bij het opwarmen, de ringen verdwenen geleidelijk weer.

"Deze verandering van de moleculaire structuur in opgesloten vloeibare kristallen kan worden gevolgd met röntgendiffractiemethoden als een functie van temperatuur en met hoge nauwkeurigheid, " zegt co-auteur en DESY-wetenschapper Milena Lippmann, die de experimenten op de High-Resolution Diffraction Beamline P08 op PETRA III heeft voorbereid en eraan heeft deelgenomen. "De combinatie van symmetrie en opsluiting leidt tot onverwachte, nieuwe faseovergangen, ", zegt Marco Mazza van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen, waar het proces werd gemodelleerd met computersimulaties. Voor dit doel, MPI-wetenschapper Arne Zantop bedacht een theoretisch en numeriek model voor de nano-opgesloten vloeibare kristallen dat de experimentele resultaten bevestigde en helpt om ze te interpreteren.

De afzonderlijke ringen vormden zich stapsgewijs bij karakteristieke temperaturen. "Dit maakt het mogelijk om individuele nano-ringen aan en uit te zetten door kleine temperatuurveranderingen, " benadrukt hoofdauteur Kathrin Sentker van TUHH. Ze had dit fenomeen opgemerkt door verrassend stapsgewijze signaalveranderingen in laseroptische experimenten. Hoewel dergelijke gekwantiseerde veranderingen meestal alleen optreden bij zeer lage temperaturen, het vloeibaar-kristalsysteem vertoont dit kwantumgedrag al ruim boven kamertemperatuur.

Aangezien de opto-elektrische eigenschappen van discotische vloeibare kristallen veranderen met de vorming van moleculaire kolommen, de variant met nanoporiën is een veelbelovende kandidaat voor het ontwerp van nieuwe optische metamaterialen met eigenschappen die stapsgewijs door temperatuur kunnen worden geregeld. De onderzochte nanostructuren kunnen ook leiden tot nieuwe toepassingen in organische halfgeleiders, zoals temperatuurschakelbare nanodraden, legt co-auteur Andreas Schönhals van de Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) uit, het Duitse Federale Instituut voor Materiaalonderzoek en Testen, die geïnteresseerd is in de thermische en elektrische eigenschappen van deze systemen.

"Het fenomeen is een mooi voorbeeld van hoe veelzijdige zachte materie zich kan aanpassen aan extreme ruimtelijke beperkingen en hoe dit kan leiden tot nieuwe inzichten in de natuurkunde en tot nieuwe ontwerp- en controleprincipes voor de zelforganisatie van functionele nanomaterialen, ", legt hoofdonderzoeker Huber uit.