I cristalli liquidi sono usati in tutto, dai piccoli orologi digitali agli enormi schermi televisivi, dai dispositivi ottici ai rivelatori biomedici. Tuttavia si sa poco della loro precisa struttura molecolare quando porzioni di tali cristalli interagiscono con l'aria.

Nuova ricerca guidata da Juan de Pablo, il Professore della Famiglia Liew presso l'Istituto di Ingegneria Molecolare, scopre caratteristiche precedentemente sconosciute che si sviluppano dall'interfaccia tra l'aria e alcuni cristalli liquidi ampiamente studiati.

"I cristalli liquidi sono reporter ad alta fedeltà di eventi molecolari, e la loro efficacia si basa sul controllo del loro orientamento molecolare in corrispondenza di un'interfaccia, " ha detto de Pablo. "La comprensione precisa di questa interfaccia ottenuta dalla nostra ricerca consentirà la progettazione di migliori sensori e display a cristalli liquidi."

Per la ricerca pubblicata l'8 febbraio su Giornale della Società Chimica Americana , de Pablo ha lavorato con un team di scienziati dell'Università di Chicago, tra cui Binhua Lin e Benoit Roux, e presso l'Università dell'Illinois a Chicago e l'Università del Wisconsin. Hanno usato raggi X di sincrotrone avanzati presso l'Argonne National Laboratory e simulazioni su larga scala per ricostruire i dettagli molecolari.

I cristalli liquidi esistono in uno stato tra liquidi e solidi, permettendo loro di fluire come un liquido ma hanno anche alcune proprietà di un solido. Le loro molecole hanno una struttura a bastoncino che può essere organizzata in vari modi. Alcuni cristalli liquidi attraversano transizioni di fase in risposta ai cambiamenti di temperatura. Nella fase nematica, le molecole a bastoncino si allineano in modo disordinato ma parallelo. Nella fase smectic, si allineano anche in parallelo, ma in strati organizzati.

"La nostra ricerca ha rivelato una serie di caratteristiche precedentemente sconosciute, " ha detto de Pablo. "Per esempio, i nostri risultati indicano che l'interfaccia stampa un altamente ordinato, struttura solida nel materiale a cristalli liquidi. Questa struttura quindi si propaga bene nella massa del cristallo liquido, in particolare per le fasi nematiche e smectiche."

La ricerca ha trovato caratteristiche simili tra i cristalli liquidi nematici 4-pentil-4′-cianobifenile ampiamente studiati e il 4-ottil-4′-cianobifenile smettico. Entrambi si allineano perpendicolarmente all'interfaccia dei cristalli aria-liquido e mostrano ben definiti, strati indotti dalla superficie all'interfaccia. Quando entrambi sono stati riscaldati a una fase completamente liquida, solo un singolo strato di molecole strutturate si è formato all'interfaccia tra il liquido e l'aria.

I ricercatori intendono studiare le interfacce dei cristalli liquidi e degli elettroliti acquosi per comprendere gli effetti delle interazioni elettrostatiche e l'ordinamento orientativo dei cristalli liquidi.

"Questi risultati saranno particolarmente importanti nel guidare la progettazione di interfacce reattive a cristalli liquidi per il rilevamento di sostanze chimiche e molecole biologiche, " concludeva il giornale.