Cuando Lisa Tran se propuso investigar patrones en cristales líquidos, ella no sabía qué esperar. Cuando miró por primera vez a través del microscopio, ella vio esferas iridiscentes danzantes con patrones parecidos a huellas dactilares grabadas en ellas que giraban en espiral y se aplanaban a medida que cambiaba la solución en la que flotaban.

La vista era tan hermosa que Tran, estudiante de posgrado en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania, envió un video al Nikon Small World Competition y terminó ganando el quinto lugar. Pero la importancia de los resultados va más allá de su atractivo estético, con posibles aplicaciones en biodetección y recolección de energía.

Cristales líquidos, fluidos con fases alineadas de moléculas constituyentes, se utilizan en todo, desde pantallas de computadora y televisión hasta anillos de humor. Dado que los cristales líquidos están hechos de moléculas parecidas a varillas, tienen propiedades ópticas especiales, como cambiar de color al interactuar con señales eléctricas o luz.

Para esta investigación, Tran confinó los cristales líquidos dentro de gotitas, creando conchas flotando en el agua. Tran y su consejero, Randall Kamien, el profesor Vicki y William Abrams de Ciencias Naturales en Penn, describió las gotas como "burbujas de fantasía". Para crear patrones, Tran luego añadió tensioactivos, o moléculas jabonosas, al agua.

"La forma en que suele funcionar el jabón, "Tran dijo, “Es que lo mezclas con agua y se forman pequeñas gotitas con el aceite para sacarlo de tus manos o de tu plato”.

Debido a que los cristales líquidos son similares al aceite, los tensioactivos se sintieron atraídos por las cáscaras de cristal líquido, haciendo que las moléculas se ordenen de diferentes maneras y creen patrones llamativos. Cuanto más jabón añadió a la solución, cuanto más cambiaban los patrones. Agregar agua hizo que los patrones se invirtieran.

Ser capaz de controlar los patrones que se forman en los cristales líquidos podría ser útil para crear coloides irregulares, partículas microscópicas suspendidas en agua que están funcionalizadas, lo que significa que se pueden unir moléculas a puntos específicos de la partícula.

"Si piensas en una pelota de ping pong, es completamente poco interesante, "Kamien dijo." Pero luego piensas en una pelota de golf, que es similar en tamaño, pero tiene hoyuelos. Entonces, lo que pasa con el trabajo de Lisa es que al controlar los patrones que ves ópticamente, texturiza físicamente la superficie, lo que le permite adjuntar cosas en lugares particulares ".

El papel, publicado en Revisión física X , fue dirigido por Tran y Kamien en colaboración con Kathleen Stebe, el profesor Richer &Elizabeth Goodwin, y el profesor Daeyeon Lee, en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. También colaboraron con el grupo de Teresa López-León de la École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris.

La investigación es un componente clave en uno de los grupos de investigación interdisciplinarios de la reciente subvención del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales NSF de Penn de $ 22.6 millones. El grupo está trabajando para hacer ensamblajes de nanocristales en plantillas duras y dentro de materiales blandos que son prometedores para aplicaciones en detección, conversión de energía y procesamiento de señales ópticas.

El experimento de Tran se inspiró en investigaciones anteriores realizadas por Maxim Lavrentovich, un becario postdoctoral de Penn en ese momento que ahora es profesor asistente en la Universidad de Tennessee, Knoxville. Trabajando con Kamien, Lavrentovich investigó cómo los diferentes patrones en los granos de polen eran específicos para diferentes especies de plantas, similar a las alas de una mariposa.

Dado que los cristales líquidos también son conocidos por formar diferentes patrones, Tran investigó lo que sucedería si las moléculas estuvieran confinadas a una esfera y se les hiciera formar patrones. Esperaba ver cómo empacarían y si coincidían con algunos de los patrones que habían visto para los granos de polen.

Aunque inicialmente los investigadores utilizaron microscopía polarizante para investigar esto, descubrieron que podían ver las gotas sin un microscopio simplemente sosteniendo la solución a la luz. Dado que el cristal líquido responde a lo que sucede a su alrededor, observar los patrones que las moléculas de jabón inducen en las cáscaras se puede utilizar como biosensor.

"Si puede hacer que cambien su color o textura solo porque hay algo de veneno en el tubo de ensayo con ellos, "Kamien dijo, "entonces puedes verlo con tus ojos, y ni siquiera necesitas un microscopio ".

Para seguir esta investigación, Tran está interesado en incorporar nanopartículas con diferentes propiedades para crear nanocables, que podría usarse como una forma de hacer dispositivos de recolección más eficientes energéticamente que se puedan sintonizar con la luz en su entorno.

"Si tuvieras nanopartículas todas de metal, " ella dijo, "puede hacer que sigan la línea y, si los cruza, de tal manera que son rígidos, y lava el cristal líquido, luego terminas con este tipo de nanoalambre estampado que luego podría usarse para otras aplicaciones ".

Según Kamien, Una de las cosas más interesantes que aprendieron de esta investigación es que no necesitan equipos sofisticados para ver cómo se organizan las cosas en la nanoescala.

"La idea, " él dijo, "Que podamos manipular cosas que son tan pequeñas con manos grandes y mirarlas en escalas de gran longitud es asombroso para mí. Al agregar algo a la solución, podemos cambiar el aspecto de los patrones. No solo estamos deduciendo cosas sobre ellos; los estamos controlando. Los estamos haciendo bailar para nosotros. Es cierto que la electrónica hace lo mismo con los electrones, pero no puedes ver los electrones. Esta interacción entre la óptica y la estructura es emocionante ".