В исследовании, опубликованном на Слушаниях Национальной академии наук, исследователи из Университета Пенсильвании и Свортмор-Колледжа описывают новое исследование типа жидкого кристалла, который распадается в воде, а не избегает его также, как и масляные жидкие кристаллы, найденные в показах. Эта собственность означает, что эти жидкие кристаллы поддерживают потенциал для биомедицинского применения, где их изменяющиеся внутренние образцы могли сигнализировать о присутствии определенных белков или других биологических макромолекул.Исследователи поместили эти жидкие кристаллы в водные капельки, которые в свою очередь были помещены в нефть, произведя эмульсию. В достаточно высоко концентрациях в капельках, жидкие кристаллы показывают образец скручивания, видимый под оптическим микроскопом.
При еще более высоких концентрациях, однако, жидкие кристаллы показывают еще более необычное поведение: их учредительные молекулы складывают, чтобы сформировать колонки, которые организуют в подобные кристаллу структуры и преобразовывают обычно сферические водные капельки в граненые жидкие драгоценные камни.Исследование было во главе с постдокторантом Джунву Юнгом и аспирантом Зои Дэвидсоном, обоими членами исследовательской группы Арджуна Йодха в Пенне. Yodh направляет Лабораторию для Исследования в области Структуры Вопроса и является преподавателем в Отделе Физики и Астрономии в Школе Искусств и Наук.
Закруглением сотрудничества является Том Лубенский, также преподаватель в Отделе Пенна Физики и Астрономии, и Питера Коллингса, преподавателя в Отделе Физики и Астрономии в Свартморе.«Наша цель дальнего действия», сказал Йодх, «состоит в том, чтобы получить больше понимания и контроля над этой жидкокристаллической системой, чтобы использовать ее способности сделать полезные новые материалы.
Исследование с этим типом жидкого кристалла на этапе, подобном тому из жидких кристаллов показа в начале 70-х. Первые показы были ограничены, пока их свойства не были действительно поняты».
Тип жидких кристаллов, которые исследователи исследовали в этом исследовании, является lyotropic chromonic жидкие кристаллы или LCLCs. Они содержат органические соли, обычно известные как «Закат Желтые» или «Желтые 6», широко используемая продовольственная краска, найденная в апельсиновой содовой, закусках вкусом сыром и многих других продуктах.
Когда помещено в воду, отдельные молекулы краски складывают как покерные фишки, формируя микроскопические пруты. Тогда на жидких кристаллах, содержащие водные снижения, смешаны в нефтяную приостановку наряду с подобными мылу сурфактантами.
С одним концом, привлеченным к воде и другому концу, отраженному им, молекулы сурфактанта едут в поверхность снижения, как только это погружено в нефть. Это помогает стабилизировать снижение в сферу, которая является оптимальной формой для уменьшения поверхностной энергии.
Как только капельки находятся в нефтяной эмульсии, пруты взаимодействуют друг с другом, чтобы сформировать различные виды выровненных фаз. В отличие от жидких кристаллов, найденных в показах, фазы или образцы, сформированные lyotropic жидкими кристаллами, зависят от их концентрации.
Чтобы изменить концентрацию LCLC, исследователи начали с различных концентраций молекул краски в капельках и разрешили концентрации увеличиваться далее как вода, распространяемая из капелек.На достаточно высоком уровне концентрации пруты выдвинуты достаточно близко вместе, что они начинают выравнивать параллельный друг другу, формируя то, что известно как «нематическая» фаза. Это дает капельке четко определенное между севером и югом ось, пробегающая ее центр. Пруты около этой оси выстраиваются в линию параллельно, пока они не добираются до двух «полюсов», где пруты не ориентированы друг относительно друга.
Этот образец следует из тенденции жидкого кристалла перестроить себя в «самое легкое», государство самой низкой энергии. И, как жидкие кристаллы, найденные в показах, это государство может быть под влиянием внешних эффектов, и получающееся поведение может использоваться для заявлений.«Большая работа, которая сделана, чтобы понять эти типы жидкокристаллических систем», сказал Коллингс, «должна поместить два конкурирующих влияния на них, такие как естественное стремление молекул, чтобы выстроиться в линию отлично против некоторого заключения или внешней области, которая говорит, ‘Мы не собираемся позволять Вам сделать это’».
Заключение в этом случае – сферическая поверхность снижения.«Пруты хотят выстроиться в линию параллельный друг другу», сказал Юнг, «но они также хотят выстроиться в линию с границей снижения, и они не могут сделать обоих сразу. Таким образом пруты должны подвергнуться деформации.
Интересно, в этом случае, они крутят, чтобы приспособить это заключение».Этот поворот не изменяет форму отдельных прутов, которые остаются прямыми, а скорее изменяет ориентацию прутов друг относительно друга. Смотря на капельку так, чтобы пруты были указаны вертикально вдоль ее оси, этот поворот происходит вдоль линий от оси до поверхности капельки.
Как прищепки, подрезанные к тем линиям, отдельные пруты могут вращаться из их оригинального вертикального положения, крутя в среднем больше чем 90 градусов.Большинство основанных на нефти жидких кристаллов, найденных в показах, отвечает на этот вид заключения так же в этом, они формируют центральную ось с двумя полюсами, но по-другому в этом они не крутят далеко от той оси.
«Это означает, что, в отличие от этого с жидкими кристаллами показа, что-либо, что мы делаем с этими LCLCs, должно принять этот поворот во внимание», сказал Коллингс.Эти образцы зависят от поверхностных свойств снижения, таким образом, скручивание прутов могло быть под влиянием внешних молекул, которые свойственны поверхности и изменяют ее граничные условия.«Эта собственность LCLCs предоставляет им с потенциалом, чтобы быть датчиком», сказал Йодх. «Маленькие изменения на молекулярном уровне могли вызвать изменения в жидкокристаллической структуре, которые являются видимыми микроскопией».Поскольку концентрация снижений увеличивается далее, однако, жидкий кристалл развивается от нематической фазы до «колоночной» фазы, в которой пруты упаковывают вещи вместе как связки соломы.
Эта упаковка препятствует тому, чтобы пруты крутили, таким образом, они отвечают на указание от поверхности снижения, выстраиваясь в линию во множества колонок, сохраняя параллельными границе и окружая центральную ось снижения.Однажды в колоночной фазе, заказанная внутренняя структура жидкого кристалла создает окружающую среду, таким образом, что сфера больше не оптимальная форма для уменьшения поверхностной энергии снижения. Поверхность втянута к заказанной коллекции прутов, и внешность снижения начинает соответствовать шестиугольному упаковочному образцу колонок, формируя аспекты.«Насколько мы знаем, это первые капли эмульсии, которые будут содержать жидкие кристаллы в колоночной фазе», сказал Йодх. «Удивительно видеть, что поверхность снижения развивается.
Я никогда не видел снижение водной формы как драгоценный камень!»Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Наукой Исследования Материалов Пенна и Техническим Центром.