Een dubbelleven leiden als zowel vaste stoffen als vloeistoffen, vloeibare kristallen staan ​​centraal bij het creëren van kleinere, snellere en efficiëntere technologieën. Zelfs op het niveau van enkele deeltjes, vloeibare kristallen kunnen licht buigen en reageren op externe krachten, zoals elektrische velden of fysiek duwen en trekken. En dus, een kleine hoeveelheid vloeibare kristallen is meestal voldoende om in veel toepassingen hoge prestaties te bereiken, variërend van beeldschermen tot zonnepanelen.

Maar om de wonderbaarlijke eigenschappen van een vloeibaar kristal volledig te benutten, de samenstellende deeltjes moeten systematisch worden geassembleerd.

In een nieuwe studie, Onderzoekers van de Texas A&M University hebben ontdekt dat het toepassen van een klein temperatuurverschil op een verwaterd mengsel van een verbinding die zirkoniumfosfaat wordt genoemd, de vloeibare kristallisatie initieert. Terwijl zirkoniumfosfaatdeeltjes naar warmere temperaturen bewegen, ze beginnen zich op elkaar af te stemmen en veranderen uiteindelijk in pure vloeibare kristallen, aldus de onderzoekers.

"Onze studie is de eerste proof-of-concept-studie die aantoont dat temperatuurgradiënt een effectieve, maar eenvoudig, hulpmiddel om hoogwaardige vloeibare kristallen te assembleren, " zei Dr. Zhengdong Cheng, professor aan de Artie McFerrin afdeling Chemische Technologie. "Ook, onze resultaten geven aan dat we vloeibare kristallen kunnen verplaatsen door alleen de temperatuur te variëren, een eigenschap die mogelijk kan worden gebruikt om vloeibare kristaldeeltjes van de ene plaats naar de andere te transporteren, daarmee de weg vrijmakend voor toepassingen die verder gaan dan die welke tegenwoordig vaak worden geassocieerd met vloeibare kristallen."

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in het oktobernummer van het tijdschrift ACS Nano .

Vloeibare kristallen vertegenwoordigen een toestand van materie die ergens tussen vaste stoffen en vloeistoffen ligt. Zoals moleculen in vaste stoffen die kristallen vormen, die in vloeibare kristallen zijn op een semi-systematische manier gerangschikt, zoals auto's op een gedeeltelijk volle parkeerplaats. Maar vloeibare kristallen zijn ook vloeibaar en kunnen net als vloeistoffen elke vorm aannemen. Verder, in hun vloeibaar-kristal-avatar, materialen vertonen vaak exotische eigenschappen. Bijvoorbeeld, ze splitsen lichtstralen op of veranderen hun moleculaire uitlijning in reactie op elektrische velden.

Maar of een materiaal al dan niet een vloeibare kristaltoestand kan aannemen, hangt af van de algehele vorm van de samenstellende deeltjes. Stoffen bestaande uit bolvormige deeltjes vormen geen vloeibare kristallen. Anderzijds, materialen bestaande uit deeltjes die langwerpig zijn als staafjes of plat zoals schijven, vormen vloeibare kristallen. Cheng en zijn team waren vooral geïnteresseerd in zirkoniumfosfaat omdat de schijfachtige deeltjes het vermogen hebben om zichzelf te assembleren tot grotere, platte 2D-structuren in hun vloeibaar kristallijne toestand.

"Veel deeltjes die in de natuur worden gevonden, zoals rode bloedcellen, nucleosomen en kleideeltjes, schijfvormig zijn en onder de juiste omstandigheden, ze kunnen zichzelf assembleren tot vloeibare kristallen, "zei Cheng. "Dus, we gebruikten zirkoniumfosfaat als een proxy om te onderzoeken of er een manier is om de vloeibare kristallisatie van deze deeltjes experimenteel te beheersen."

Van zirkoniumfosfaat is aangetoond dat het vanzelf tot vloeibare kristallen assembleert als er voldoende grote hoeveelheden aan water worden toegevoegd. Maar de resulterende vloeibare kristallen hebben vaak gebreken en zijn onstabiel. Dus, Cheng en zijn team kwamen met een alternatieve aanpak.

Cheng had eerder aangetoond dat het toepassen van een temperatuurverschil ervoor kan zorgen dat bolvormige deeltjes samenklonteren tot klompjes kristallen. Met hetzelfde principe, zijn team onderzocht of verschillende temperaturen konden worden gebruikt om zirkoniumfosfaat te assembleren tot vloeibare kristallen.

Voor hun experimenten het Texas A&M-team maakte een mengsel van zirkoniumfosfaat en water en vulde het in dunne, twee inch lange buizen, ervoor te zorgen dat de hoeveelheid zirkoniumfosfaat klein genoeg was om automatische vloeibare kristallisatie niet te activeren. Volgende, ze zorgden voor warmte op zo'n manier dat het temperatuurverschil tussen beide uiteinden van de buis ongeveer 10 graden was.

Binnen een uur, Cheng en zijn team ontdekten dat de zirkoniumfosfaatdeeltjes in het koelere uiteinde van de buis naar het warmere uiteinde begonnen te kruipen, het triggeren van vloeibare kristallisatie van het warmere uiteinde van de buis.

"Net zoals water in een kokende pot circuleert van de bodem waar het heet is naar de bovenkant van de container waar het koud is, water in onze buizen circuleerde ook van warmere naar koelere temperaturen, " zei Dali Huang, afgestudeerde student aan het Texas A&M College of Engineering en een primaire auteur van de studie. "Overeenkomstig, de zirkoniumfosfaatdeeltjes bewogen ook in de richting van de waterstroom en rangschikten zich tot vloeibare kristallen. "De onderzoekers speculeerden dat de duw van het stromende water de zirkoniumfosfaatdeeltjes helpt om zichzelf systematisch te positioneren totdat ze vloeibare kristallen vormen. ze ontdekten dat de vloeibare kristallen die met temperatuurgradiënten werden gecreëerd minder defect waren dan die gevormd door andere methoden.

Cheng merkte op dat hun bevindingen nieuwe deuren openen voor gebruik in verschillende contexten.

"Door hun vorm, schijfvormige deeltjes hebben een groter oppervlak in vergelijking met hun volume, " zei Cheng. "Als we denken aan de volgende generatie biomedische apparaten, bijvoorbeeld, we kunnen mogelijk profiteren van deze geometrie om medicinale deeltjes op hun platte oppervlakken te laden en vervolgens de temperatuur te variëren om ze te transporteren naar een specifiek deel van het lichaam."