Si bien muchos logros científicos provienen de largos años de planificación cuidadosa, de vez en cuando los investigadores se topan con algo completamente inesperado. "Al principio, buscábamos crear un efecto particular, "dice el estudiante de posgrado Wei-Shao Wei". Luego, observamos algo extraño ".

Un nuevo estudio en Naturaleza detalla este "extraño" hallazgo al mostrar cómo las gotas que contienen moléculas de cristal líquido en forma de cadena se transforman en formas complejas cuando baja la temperatura. Realizado por Wei, estudiante de posgrado Sophie Ettinger, Doctor. alumbre Yu Xia, Shu Yang, y Arjun Yodh, Este descubrimiento inesperado proporciona una nueva comprensión sobre cómo la polidispersidad molecular, una condición en la que las longitudes de las moléculas de cristal líquido varían ampliamente, puede hacer que las gotas simples cambien a formas inusuales.

Los cristales líquidos están compuestos de moléculas en forma de varilla o disco llamadas mesógenos, y, como resultado de la alineación de estos mesógenos, exhiben propiedades físicas notables entre las de un sólido y un líquido. Los cristales líquidos utilizados en este estudio tienen características similares a los utilizados en las pantallas LCD, pero en cambio están hechos de oligómeros, polímeros flexibles de cadena corta compuestos por bloques de construcción moleculares en forma de varillas más pequeños.

El objetivo inicial de Wei era utilizar este tipo de cristal líquido del laboratorio de Yang para crear gotas de Janus, que contienen dos tipos diferentes de materiales en lados opuestos de la gota; en este caso, la mitad sería una red gomosa llamada elastómero de cristal líquido, fabricado "bloqueando" las moléculas de cristal líquido en su lugar con reticulación, y la otra mitad sería silicona.

Wei descubrió rápidamente que las gotas se estaban transformando en extrañas estructuras filamentosas. Al principio, los investigadores pensaron que lo que estaban viendo era un error experimental, pero debido a que los resultados fueron repetibles, se dieron cuenta de que era algo notablemente nuevo que debían intentar comprender.

"Fue un efecto visualmente espectacular. No me lo esperaba en absoluto, ", dice Yodh." Estábamos tratando de hacer lanzamientos de diseñadores, pero en el proceso, vimos algo interesante y diferente ".

Ambos asombrados y desconcertados por sus extraños resultados, los investigadores comenzaron una investigación rigurosa para explicar lo que estaban viendo. Con la ayuda del laboratorio Yang, Wei estudió gotitas que contenían diferentes mezclas de oligómeros de cristal líquido hechos de mesógenos de diferentes longitudes. Los investigadores variaron la longitud de la cadena de oligómeros, utilizó diferentes tensioactivos para mantener las gotas juntas, y exploró modelos teóricos simples para dar sentido a sus hallazgos.

La característica esencial del modelo que desarrollaron los investigadores es que la estructura de la gota es impulsada por dos fuerzas:tensión superficial, la tendencia de las superficies fluidas a encogerse en el área más pequeña posible, y energía elástica, con un ejemplo es la energía mecánica almacenada en objetos flexibles como resortes de cama o arco de un arquero. Para mantener la energía superficial al mínimo, la gota de cristal líquido normalmente forma una esfera, la forma con la menor relación superficie-volumen. Dentro de la gota sin embargo, las varillas individuales quieren ser perpendiculares a la superficie de la esfera y al mismo tiempo estar paralelas a otras varillas.

Con estas fuerzas opuestas en juego, a altas temperaturas (~ 90 C / ~ 194 F), las gotas de cristal líquido son esféricas y tienen una estructura interna clásica de "erizo radial", donde todas las varillas apuntan hacia el centro, una configuración que requiere energía elástica para formarse. Luego, cuando la temperatura baja, tensión superficial y cambio de energía elástica, y tanto la forma de la gota como la alineación de las varillas dentro de la gota se transforman para minimizar el costo total de energía.

Por casualidad, las estructuras de gotitas resultantes forman una impresionante variedad de formas complejas, desde "flores" que se asemejan a crisantemos microscópicos hasta redes masivas "Medusa" de fibras entrelazadas. Los efectos también son reversibles:las gotas pueden pasar de esferas a redes enredadas y luego regresar.

Además de las nuevas y notables morfologías de gotitas, Uno de los hallazgos sorprendentes de este trabajo fue que la clave de este extraño fenómeno era tener varillas de cadena larga y de cadena corta en la gota; en términos científicos, que tiene un sistema de cristal líquido con polidispersidad.

Cuando los mesógenos en forma de varilla eran de longitud similar, no se vieron efectos extraños, pero si tuvieran muchas longitudes diferentes, luego, las varillas se moverían a diferentes lugares dentro de la gota según su longitud. Las varillas hechas de cadenas más pequeñas se mueven preferentemente hacia donde la energía elástica es mayor, cerca del centro de la gota, mientras que los hechos de cadenas más grandes se trasladaron a la superficie.

"Por lo general, cuando su muestra contiene una mezcla de componentes de diferente tamaño, o longitud, o incluso composición, luego, las transiciones de fase o los eventos de autoensamblaje se eliminan o se evitan por completo, "explica Yodh, "Pero aquí, la polidispersidad en la mezcla ayuda a impulsar el efecto, porque las cadenas de diferente longitud pueden moverse a diferentes partes de la gota. Esto no sucede para los homogéneos, sistema monodisperso ".

Si bien aún quedan muchas preguntas, como por qué, exactamente, las gotas se ramifican de formas extrañas que hacen que el material parezca vivo, los investigadores esperan utilizar estos conocimientos para explorar nuevas aplicaciones y conceptos.

"Una de las razones por las que decidimos utilizar estos oligómeros de cristal líquido en particular es que podemos reticularlos y convertirlos en un elastómero, "dice Yodh, agregando que estos y otros tipos similares de moléculas de cristal líquido en forma de cadena podrían usarse para crear nuevos tipos de materiales blandos, como fibras accionables que pueden moverse y cambiar de forma en respuesta a la temperatura o la humedad.

Los investigadores también están pensando en otros fenómenos en los que la polidispersidad juega un papel en la conducción del ensamblaje de un material y en la configuración de su estructura y función. La heterogeneidad molecular en biología está potencialmente relacionada con lo que los investigadores encontraron con las moléculas de cristal líquido en forma de cadena polidispersa y podría facilitar formas de sintetizar y modelar materiales basados ​​en lo que ya existe en el mundo viviente:muchos polímeros que se encuentran en la naturaleza, como el caucho natural, celulosa de madera, y seda, son ellos mismos polidispersos.

"En general, los científicos tienden a controlar las cosas:usted quiere controlar para poder entenderlo, y, por lo tanto, generalmente intentamos hacer y trabajar con sistemas monodispersos, "dice Yang". Pero en biología, los materiales de origen son a veces una mezcla de moléculas con diferentes longitudes de cadena y funciones:pueden tener diferente rigidez, hidrofobicidad, o hidrofilia, y por eso es tan complicado de entender ".

Los investigadores esperan que este estudio, que se hizo en el "espíritu MRSEC" colaborativo al unir esfuerzos en ciencia e ingeniería de materiales con la física, animará a otros a ver nuevas implicaciones y posibles beneficios de la polidispersidad.

"Este trabajo fue divertido, "agrega Yodh." Fue divertido sorprenderse al principio, y luego frustrantemente divertido tratar de entenderlo durante tanto tiempo. Y es divertido mirar hacia atrás. El desorden de los polímeros hace que algo sea diferente ".