Brookhaven Lab miembros del equipo de investigación en la línea de luz IXS de National Synchrotron Light Source II, de izquierda a derecha:Dima Bolmatov, Alessandro Cunsolo, Mikhail Zhernenkov, Ronald Pindak (sentado), Alexei Suvorov (sentado), y Yong Cai. La pista circular acomoda los cables de servicios públicos y permite que el brazo que aloja los detectores se mueva a diferentes ubicaciones para seleccionar el ángulo de dispersión para la medición. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado una nueva forma de rastrear características moleculares dinámicas en materiales blandos, incluidas las vibraciones moleculares de alta frecuencia que transmiten ondas de calor, sonido, y otras formas de energía. Controlar estas ondas vibratorias en materiales blandos como polímeros o compuestos de cristal líquido podría conducir a una variedad de innovaciones inspiradas en la energía, desde aislantes térmicos y acústicos, a formas de convertir el calor residual en electricidad, o luz en movimiento mecánico.
En un artículo recién publicado en Nano letras , los científicos describen el uso de la línea de luz de dispersión de rayos X inelástica (IXS) recién construida en la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II (NSLS-II), que tiene una resolución energética sin precedentes, para monitorear la propagación de vibraciones a través de un compuesto de cristal líquido en tres fases diferentes. Sus hallazgos muestran que los cambios estructurales a nanoescala que ocurren con el aumento de la temperatura, a medida que los cristales líquidos se vuelven menos ordenados, interrumpen drásticamente el flujo de ondas vibratorias. Por lo tanto, eligiendo o cambiando la "fase, "o disposición de moléculas, podría controlar las vibraciones y el flujo de energía.
"Al ajustar la estructura, podemos cambiar las propiedades dinámicas de este material, "dijo el físico de Brookhaven Dima Bolmatov, el autor principal del artículo.
La técnica también podría usarse para estudiar procesos dinámicos en otros sistemas blandos como membranas biológicas o cualquier tipo de fluido complejo.
"Por ejemplo, Podríamos ver cómo las moléculas de lípidos en una membrana celular cooperan entre sí para crear pequeñas regiones porosas donde moléculas aún más pequeñas, como oxígeno o dióxido de carbono, puede pasar, para ver cómo funciona el intercambio de gases en las branquias y los pulmones, "Dijo Bolmatov.
La capacidad de rastrear propiedades dinámicas tan rápidas no sería posible sin las capacidades únicas de NSLS-II, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab. NSLS-II produce rayos X extremadamente brillantes para estudios en una amplia gama de campos científicos.
En la línea de luz de IXS, Los científicos bombardean muestras con estos rayos X y miden la energía que ceden o obtienen con una precisión de dos milésimas de un electrón voltio. así como el ángulo en el que se dispersan de la muestra, incluso en ángulos muy pequeños.
"El intercambio de energía nos dice cuánta energía se necesitó para hacer vibrar algunas moléculas en un movimiento ondulatorio. El ángulo de dispersión sondea las vibraciones que se propagan en diferentes escalas de longitud dentro de la muestra, desde casi una molécula hasta decenas de nanómetros. El nuevo La línea de luz IXS en NSLS-II puede resolver esas escalas de longitud con una precisión sin precedentes, "dijo Yong Cai, el científico principal de la línea de luz IXS.
El patrón de dispersión de colores a la izquierda revela información estructural a nivel molecular sobre la fase esméctica en capas de un material de cristal líquido. Los arcos internos indican que las moléculas están dispuestas en capas ordenadas con espaciado regular, mientras que los arcos exteriores indican que todavía hay una movilidad similar a un líquido dentro de las capas. El gráfico (arriba, derecha) representa mediciones de dispersión de rayos X inelásticos de esta fase esméctica. Cada pico (rosa, naranja, púrpura) representa un movimiento vibratorio único que se mueve a través del material, donde las dos "protuberancias" que forman cada pico representan la energía ganada o perdida por la vibración. Las vibraciones violeta y naranja coinciden con la frecuencia de las ondas sonoras, mientras que la tercera, rosado, La vibración está relacionada con la inclinación de las moléculas (abajo, Derecha). El balanceo fuera de fase de estas moléculas coincide con la frecuencia de la luz infrarroja (calor). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"Estos dos parámetros, el ángulo de dispersión y la energía, nunca antes se habían medido tan bien en materiales blandos. Por lo tanto, las propiedades técnicas de esta línea de luz nos permiten ubicar con precisión las vibraciones y rastrear su propagación en diferentes direcciones en diferentes escalas de longitud, incluso en materiales que carecen de una estructura sólida bien ordenada, "añadió.
En el estudio de cristal líquido, Los científicos de Brookhaven Lab y sus colaboradores en la Universidad Estatal de Kent y la Universidad de Albany hicieron mediciones a tres temperaturas diferentes a medida que el material pasaba de un orden, fase cristalina a través de transiciones a un estado "esméctico" menos ordenado, y finalmente un líquido "isotrópico". Detectaron fácilmente la propagación de ondas vibratorias a través de la fase más ordenada, y mostró que la aparición del desorden "mató" la propagación de vibraciones de "cizallamiento acústico" de baja energía. Las vibraciones de cizallamiento acústico están asociadas con una compresión de las moléculas en una dirección perpendicular a la dirección de propagación.
"Saber dónde está el límite dinámico, entre el material que se comporta como un sólido ordenado y un material blando desordenado, nos brinda una forma de controlar la transmisión de energía a nanoescala, "Dijo Bolmatov.
En la fase "esméctica", los científicos también observaron una vibración que, en cambio, se asoció con la inclinación molecular. Este tipo de vibración puede interactuar con la luz y absorberla porque la frecuencia de las vibraciones en terahercios coincide con la frecuencia de la luz infrarroja o de las ondas de calor. Por lo tanto, cambiar las propiedades del material puede controlar la forma en que estas formas de energía se mueven a través del material. Esos cambios se pueden lograr cambiando la temperatura del material, como se hizo en este experimento, sino también mediante la aplicación de campos eléctricos o magnéticos externos, Dijo Bolmatov.
Esto allana el camino para nuevas aplicaciones llamadas fonónicas u optomecánicas, donde el sonido o la luz se combinan con las vibraciones mecánicas. Dicho acoplamiento permite controlar un material mediante la aplicación de luz y sonido externos o viceversa.
"Todos estamos familiarizados con las aplicaciones que utilizan las propiedades ópticas de los cristales líquidos en las pantallas de visualización, ", Dijo Bolmatov." Hemos encontrado nuevas propiedades que se pueden controlar o manipular para nuevos tipos de aplicaciones ".
El equipo continuará con los estudios de materiales blandos en IXS, incluidos los experimentos planificados con copolímeros de bloque, conjuntos de nanopartículas, membranas lipídicas, y otros cristales líquidos durante el verano.
"La línea de luz IXS ahora también está abierta a usuarios externos, incluidos científicos interesados en estos y otros materiales blandos y procesos biológicos, "dijo Cai.
