En la fuente de rayos X de DESY, PETRA III, Los científicos han investigado una forma intrigante de autoensamblaje en cristales líquidos:cuando los cristales líquidos se llenan en nanoporos cilíndricos y se calientan, sus moléculas forman anillos ordenados a medida que se enfrían, una condición que de otra manera no ocurre naturalmente en el material. Este comportamiento permite nanomateriales con nuevas propiedades ópticas y eléctricas, como informa el equipo dirigido por Patrick Huber de la Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH) en la revista Cartas de revisión física .

Los científicos estudiaron una forma especial de cristales líquidos compuestos por moléculas en forma de disco llamadas cristales líquidos discóticos. En estos materiales, las moléculas del disco pueden formarse altas, pilares eléctricamente conductores por sí mismos, amontonándose como monedas. Los investigadores llenaron cristales líquidos discóticos en nanoporos en un vidrio de silicato. Los poros cilíndricos tenían un diámetro de solo 17 nanómetros (millonésimas de milímetro) y una profundidad de 0,36 milímetros.

Allí, los cristales líquidos se calentaron a unos 100 grados Celsius y se enfriaron lentamente. Las moléculas de disco inicialmente desorganizadas formaron anillos concéntricos dispuestos como columnas curvas redondas. Empezando por el borde del poro, un anillo tras otro se formó gradualmente con la temperatura decreciente hasta que a aproximadamente 70 grados Celsius toda la sección transversal del poro se llenó de anillos concéntricos. Al recalentar, los anillos volvieron a desaparecer gradualmente.

"Este cambio de la estructura molecular en cristales líquidos confinados se puede monitorear con métodos de difracción de rayos X en función de la temperatura y con alta precisión, "dice la coautora y científica de DESY Milena Lippmann, que preparó y participó en los experimentos en la línea de haz de difracción de alta resolución P08 en PETRA III. "La combinación de simetría y confinamiento da lugar a inesperados, nuevas transiciones de fase, "dice Marco Mazza del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización en Göttingen, donde se modeló el proceso con simulaciones por ordenador. Para ello, El científico de MPI Arne Zantop ideó un modelo teórico y numérico para los cristales líquidos nanoconfinados que confirmó los resultados experimentales y ayuda a interpretarlos.

Los anillos individuales se formaron escalonadamente a temperaturas características. "Esto hace posible encender y apagar los nanoanillos individuales mediante pequeños cambios de temperatura, "enfatiza la autora principal Kathrin Sentker de TUHH. Ella había notado este fenómeno a través de cambios de señal sorprendentemente escalonados en experimentos láser-ópticos. Si bien tales cambios cuantificados generalmente solo ocurren a temperaturas muy bajas, el sistema de cristal líquido muestra este comportamiento cuántico ya muy por encima de la temperatura ambiente.

A medida que las propiedades optoeléctricas de los cristales líquidos discóticos cambian con la formación de columnas moleculares, la variante confinada en nanoporos es un candidato prometedor para el diseño de nuevos metamateriales ópticos con propiedades que se pueden controlar paso a paso a través de la temperatura. Las nanoestructuras investigadas también podrían conducir a nuevas aplicaciones en semiconductores orgánicos, como nanocables de temperatura conmutable, explica el coautor Andreas Schönhals del Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), el Instituto Federal Alemán de Investigación y Ensayo de Materiales, que esté interesado en las propiedades térmicas y eléctricas de estos sistemas.

“El fenómeno constituye un buen ejemplo de cómo la materia blanda versátil puede adaptarse a limitaciones espaciales extremas y cómo esto puede conducir a nuevos conocimientos en física, así como a nuevos principios de diseño y control para la autoorganización de nanomateriales funcionales, "explica el investigador principal Huber.