Mentre molti risultati scientifici derivano da lunghi anni di attenta pianificazione, di tanto in tanto i ricercatori si imbattono in qualcosa di completamente inaspettato. "All'inizio, stavamo cercando di creare un effetto particolare, " dice lo studente laureato Wei-Shao Wei. "Allora, abbiamo notato qualcosa di strano".

Un nuovo studio in Natura dettaglia questa scoperta "strana" mostrando come le goccioline contenenti molecole di cristalli liquidi simili a catene si trasformano in forme complesse quando la temperatura scende. Diretto da Wei, la studentessa Sophie Ettinger, dottorato di ricerca allume Yu Xia, Shu Yang, e Arjun Yodh, questa scoperta inaspettata fornisce una nuova comprensione di come la polidispersità molecolare, una condizione in cui le lunghezze delle molecole di cristalli liquidi variano ampiamente, può portare semplici goccioline a cambiare forma in forme insolite.

I cristalli liquidi sono composti da molecole simili a bastoncini o dischi chiamate mesogeni, e, come risultato dell'allineamento di questi mesogeni, mostrano notevoli proprietà fisiche tra quelle di un solido e di un liquido. I cristalli liquidi utilizzati in questo studio hanno caratteristiche simili a quelli utilizzati negli schermi LCD ma sono invece costituiti da oligomeri, polimeri flessibili a catena corta costituiti da blocchi molecolari simili a bastoncini più piccoli.

L'obiettivo iniziale di Wei era usare questo tipo di cristallo liquido dal laboratorio di Yang per creare goccioline di Janus, che contengono due diversi tipi di materiali sui lati opposti della goccia, in questo caso, una metà sarebbe una rete gommosa chiamata elastomero a cristalli liquidi, realizzato "bloccando" le molecole di cristalli liquidi in posizione con reticolazione, e l'altra metà sarebbe silicone.

Wei scoprì rapidamente che le goccioline si stavano invece trasformando in strane strutture filamentose. All'inizio i ricercatori pensavano che quello che stavano vedendo fosse un errore sperimentale, ma poiché i risultati erano ripetibili, si resero conto che era qualcosa di straordinariamente nuovo che avrebbero dovuto cercare di capire.

"È stato un effetto visivamente spettacolare. Non me lo aspettavo affatto, " dice Yodh. "Stavamo cercando di fare gocce di design, ma nel processo, abbiamo visto qualcosa di interessante e diverso".

Entrambi stupiti e perplessi per i loro strani risultati, i ricercatori hanno iniziato un'indagine rigorosa per spiegare cosa stavano vedendo. Con l'aiuto del laboratorio Yang, Wei ha studiato goccioline che contenevano diverse miscele di oligomeri a cristalli liquidi costituiti da mesogeni di lunghezza variabile. I ricercatori hanno variato la lunghezza della catena degli oligomeri, utilizzato diversi tensioattivi per tenere insieme le goccioline, ed esplorato semplici modelli teorici per dare un senso alle loro scoperte.

La caratteristica essenziale del modello sviluppato dai ricercatori è che la struttura della gocciolina è guidata da due forze:tensione superficiale, la tendenza delle superfici fluide a ridursi nella più piccola area possibile, ed energia elastica, con un esempio è l'energia meccanica immagazzinata in oggetti pieghevoli come le molle del letto o l'arco di un arciere. Per mantenere l'energia superficiale al minimo, la goccia di cristallo liquido normalmente forma una sfera, la forma con il più piccolo rapporto superficie-volume. Dentro la goccia, però, le singole aste vogliono essere sia perpendicolari alla superficie della sfera che parallele alle altre aste.

Con queste forze opposte in gioco, ad alte temperature (~90 C/~194 F), le goccioline di cristalli liquidi sono sferiche e hanno una classica struttura interna a "riccio radiale", dove tutte le aste puntano verso il centro, una configurazione che richiede energia elastica per formarsi. Quindi, quando la temperatura diminuisce, tensione superficiale e variazione di energia elastica, e sia la forma della goccia che l'allineamento delle aste all'interno della trasformazione della goccia per minimizzare il costo energetico totale.

Per caso, le strutture di goccioline risultanti formano una straordinaria gamma di forme complesse, da "fiori" che assomigliano a microscopici crisantemi a massicce reti di fibre intrecciate "Medusa". Gli effetti sono anche reversibili:le goccioline possono passare da sfere a reti aggrovigliate e poi viceversa.

Oltre alle notevoli nuove morfologie delle goccioline, una delle scoperte sorprendenti di questo lavoro è stata che la chiave di questo strano fenomeno era l'avere nella goccia sia aste a catena lunga che a catena corta - in termini scientifici, avente un sistema a cristalli liquidi con polidispersità.

Quando i mesogeni simili a bastoncelli erano di lunghezza simile, non si vedevano strani effetti, ma se avessero molte lunghezze diverse, quindi le aste si sposterebbero in punti diversi all'interno della gocciolina in base alla loro lunghezza. Aste fatte di catene più piccole spostate preferenzialmente dove l'energia elastica è maggiore, vicino al centro della goccia, mentre quelli fatti di catene più grandi si spostavano in superficie.

"Di solito quando il campione contiene una miscela di costituenti di dimensioni diverse, o lunghezza, o anche composizione, quindi le transizioni di fase o gli eventi di autoassemblaggio vengono cancellati o prevenuti del tutto, " spiega Yodh, "Ma qui, la polidispersione nella miscela aiuta a guidare l'effetto, perché catene di diversa lunghezza possono spostarsi in diverse parti della goccia. Questo non accade per l'omogeneo, sistema monodisperso."

Mentre rimangono ancora molte domande, come perché, Esattamente, le goccioline si ramificano in modi strani che fanno sembrare vivo il materiale, i ricercatori sperano di utilizzare queste informazioni per esplorare nuove applicazioni e concetti.

"Una ragione per cui abbiamo deciso di utilizzare questi particolari oligomeri a cristalli liquidi è che possiamo reticolarli e trasformarli in un elastomero, "dice Yodh, aggiungendo che questi e altri tipi simili di molecole di cristalli liquidi simili a catene potrebbero essere utilizzati per creare nuovi tipi di materiali morbidi, come fibre attivabili che potrebbero muoversi e cambiare forma in risposta alla temperatura o all'umidità.

I ricercatori stanno anche pensando ad altri fenomeni in cui la polidispersità gioca un ruolo nel guidare l'assemblaggio di un materiale e nel modellarne la struttura e la funzione. L'eterogeneità molecolare in biologia è potenzialmente correlata a ciò che i ricercatori hanno scoperto con le molecole di cristalli liquidi simili a catene polidisperse e potrebbe facilitare modi per sintetizzare e modellare materiali basati su ciò che esiste già nel mondo vivente:molti polimeri trovati in natura, come la gomma naturale, cellulosa di legno, e seta, sono essi stessi polidispersi.

"Generalmente, gli scienziati tendono a controllare le cose:tu vuoi controllare in modo da poterlo capire, e quindi di solito cerchiamo di realizzare e lavorare con sistemi monodispersi, " dice Yang. "Ma in biologia, i materiali di partenza sono talvolta una miscela di molecole con lunghezze e funzioni di catena diverse:possono avere rigidità diverse, idrofobicità, o idrofilia, ed è per questo che è così complicato da capire."

I ricercatori sperano che questo studio, che è stato fatto nello "spirito MRSEC" collaborativo unendo gli sforzi nella scienza e ingegneria dei materiali con la fisica, incoraggerà gli altri a vedere nuove implicazioni e possibili benefici della polidispersione.

"Questo lavoro è stato divertente, " aggiunge Yodh. "È stato divertente essere sorpresi all'inizio, e poi frustrantemente divertente cercare di capirlo per così tanto tempo. Ed è divertente guardare indietro. Il disordine dei polimeri crea qualcosa di diverso".