Metastabile tilstander av flytende krystaller

Et forskerteam ledet av GRASP—Group of Research and Applications in Statistical Physics—ved University of Liège (Belgia), demonstrerer hvordan man kan manipulere mesh, form og symmetri til flytende krystaller ved å vandre, på en kontrollert måte, mellom deres metastabile stater. Denne studien er publisert i tidsskriftet Vitenskapelige rapporter.

Multipartikkelsystemer er av interesse innen flere områder av fysikk. Strukturen deres er styrt av deres interaksjoner. Spesielt i nærvær av attraktive interaksjoner har disse systemene en tendens til å montere seg selv, noe som minimerer energien deres. Dette fenomenet eksisterer i alle skalaer, og styrer dannelsen av molekyler og planetsystemer. Avhengig av kompleksiteten til interaksjonene, kan partikler danne enkle periodiske strukturer (krystaller), eller mer komplekse som proteinkjeder.

Magnetokapillære interaksjoner mellom partikler tillater selvmontering av flytende krystaller langs væskegrensesnitt. For et fast antall partikler eksisterer forskjellige tilstander med forskjellige symmetriske egenskaper, kalt metastabile tilstander, samtidig. Ulike banebrytende arbeider har observert eksistensen av metastabile tilstander i flytende krystaller.

Siden forskjellige stater eksisterer side om side, er det vanskelig å kontrollere dannelsen av spesifikke strukturer. Kontroll av dannelsen av metastabile tilstander er imidlertid en nøkkelingrediens for å funksjonalisere slike sammenstillinger, for eksempel baner vei for selvmonterende mikroroboter. Måten å kontrollere tilstanden til en flytende krystall har aldri blitt studert før.

“Selvmontering har tiltrukket seg interesse fra akademia og industri på grunn av bruken til å lage små strukturer,” sier Nicolas Vandewalle, professor i fysikk og direktør for GRASP. “Virkelig, noen strukturer er for store til å forberedes ved kjemisk syntese og for små til å settes sammen med robotmetoder. Spesielt er mikrometer-millimeter-skalaen vanligvis flaskehalsen mellom standard nedenfra-og-opp-og ovenfra-og-ned-produksjonsmetoder.”

En av hovedkarakteristikkene til selvmonterte systemer er at på grunn av det høye antallet frihetsgrader er det ofte flere lokale minima i tillegg til den globale minimumsenergitilstanden. Disse metastabile tilstandene kan observeres på alle skalaer, ved molekylært nivåi kolloider, i mesoskopisk skala og i makroskopisk skala.

Interessen for hvordan man kan utnytte disse metastabile tilstandene for aktiv strukturering har nylig økt. Derfor er et grunnleggende spørsmål, som forskerne tok opp i denne studien, å definere betingelsene for å navigere mellom de ulike metastabile tilstandene.

“I studien vi nettopp har publisert,” sier Ylona Collard, en forsker ved GRASP og førsteforfatter av artikkelen, “studerte vi magnetokapillære selvmonteringer sammensatt av 3 til 19 partikler. For et fast antall partikler som utgjør sammenstillingen, har flere forskjellige stater eksisterer side om side, kjennetegnet ved deres form, maskestørrelse og symmetri.”

Forskerne foreslo to forskjellige, men komplementære, eksperimentelle teknikker for å navigere på en kontrollert måte mellom disse forskjellige tilstandene. Den første tillot en tilstandsendring for et fast antall partikler. Dette oppnås ved å påføre et horisontalt magnetfelt som induserer en deformasjon av enheten.

Etter avspenning vil forsamlingen ha endret tilstand med en viss sannsynlighet. Den andre teknikken kontrollerer veksten av en sammenstilling ved å velge ønsket tilstand for en sammenstilling av N (antall) + 1 perler fra en sammenstilling av N perler. An infrarød laser brukes på vannoverflaten å generere termokapillære flukser, kontrollerer banen til den nye perlen som legges til systemet.

“Det er foreslått modeller for å studere hyppigheten av forekomsten av de forskjellige tilstandene til en sammenstilling ved opprettelsen,” forklarer Nicolas Vandewalle, “og for å modellere de to eksperimentelle teknikkene. Simuleringene er i veldig god overensstemmelse med de eksperimentelle resultatene. En analogi mellom disse magnetokapillære sammenstillingene, som kan reduseres til en mindre skala, og kolloidale krystaller har blitt foreslått for å utvide perspektivene til dette arbeidet.”

Dette arbeidet er faktisk relevant for fremstilling av mikroskopiske strukturer som elektroniske kretser, mikroroboter eller nye materialer med nye fysiske egenskaper.

---

---