Quando Lisa Tran ha deciso di indagare sui modelli nei cristalli liquidi, non sapeva cosa aspettarsi. Quando ha guardato per la prima volta al microscopio, vide sfere iridescenti danzanti con incise motivi simili a impronte digitali che si appiattivano a spirale mentre la soluzione in cui galleggiavano cambiava.

La vista era così bella che Tran, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della School of Arts and Sciences dell'Università della Pennsylvania, ne ha inviato un video al Nikon Small World Competition e ha finito per vincere il quinto posto. Ma l'importanza dei risultati va ben oltre il loro fascino estetico, con possibili applicazioni nel biosensing e nell'energy harvesting.

Cristalli liquidi, fluidi con fasi allineate delle molecole costituenti, sono utilizzati in tutto, dai display di computer e televisori agli anelli dell'umore. Poiché i cristalli liquidi sono costituiti da molecole simili a bastoncini, hanno proprietà ottiche speciali, come cambiare colore mentre interagiscono con segnali elettrici o luce.

Per questa ricerca, Tran confinato i cristalli liquidi all'interno di goccioline, creando conchiglie che galleggiano nell'acqua. Tran e il suo consigliere, Randall Kamien, il Vicki and William Abrams Professor in Scienze Naturali a Penn, descrisse le goccioline come "bolle fantasiose". Per creare modelli, Tran ha poi aggiunto tensioattivi, o molecole saponose, all'acqua.

"Il modo in cui di solito funziona il sapone, "Tran ha detto, "è che lo mescoli con l'acqua e forma delle piccole goccioline con l'olio per rimuoverlo dalle tue mani o dal tuo piatto."

Poiché i cristalli liquidi sono simili al petrolio, i tensioattivi sono stati attratti dai gusci di cristalli liquidi, facendo sì che le molecole si ordinino in modi diversi e creino modelli sorprendenti. Più sapone aggiungeva alla soluzione, più i modelli cambiavano. L'aggiunta di acqua ha causato l'inversione dei modelli.

Essere in grado di controllare i modelli che si formano sui cristalli liquidi potrebbe essere utile nella creazione di colloidi irregolari, particelle microscopiche sospese in acqua che sono funzionalizzate, il che significa che si possono attaccare molecole a punti specifici sulla particella.

"Se pensi a una pallina da ping pong, è completamente privo di interesse, " disse Kamien. "Ma poi pensi a una pallina da golf, che è di dimensioni simili, ma ci sono delle fossette sopra. Quindi la cosa del lavoro di Lisa è che controllando i modelli che vedi otticamente, struttura fisicamente la superficie, che ti permette di attaccare cose ad esso in luoghi particolari."

La carta, pubblicato in Revisione fisica X , è stata guidata da Tran e Kamien in collaborazione con Kathleen Stebe, il Professore Richer &Elizabeth Goodwin, e il professor Daeyeon Lee, presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate. Hanno anche collaborato con il gruppo di Teresa López-León dell'École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris.

La ricerca è una componente chiave in uno dei gruppi di ricerca interdisciplinari della recente sovvenzione del Penn di 22,6 milioni di dollari per la ricerca sui materiali e il centro di ingegneria della Penn. Il gruppo sta lavorando per realizzare assemblaggi di nanocristalli su modelli rigidi e all'interno di materiali morbidi che promettano applicazioni nel rilevamento, conversione dell'energia ed elaborazione del segnale ottico.

L'esperimento di Tran è stato ispirato da precedenti ricerche fatte da Maxim Lavrentovich, un borsista post-dottorato della Penn all'epoca che ora è assistente professore presso l'Università del Tennessee, Knoxville. Lavorando con Kamien, Lavrentovich ha studiato come i diversi modelli sui grani di polline fossero specifici per diverse specie di piante, simili ad ali di farfalla.

Poiché i cristalli liquidi sono anche noti per formare modelli diversi, Tran ha studiato cosa accadrebbe se le molecole fossero confinate in una sfera e causassero la formazione di schemi. Sperava di vedere come si sarebbero impacchettati e se avrebbero abbinato alcuni dei modelli che avevano visto per i grani di polline.

Sebbene inizialmente i ricercatori abbiano utilizzato la microscopia polarizzante per indagare su questo, hanno scoperto che potevano vedere le goccioline senza un microscopio semplicemente tenendo la soluzione alla luce. Poiché il cristallo liquido risponde a ciò che accade intorno ad esso, guardando gli schemi che le molecole di sapone inducono sui gusci può essere utilizzato come biosensore.

"Se riesci a fargli cambiare colore o consistenza solo perché c'è del veleno nella provetta con loro, "Kamien ha detto, "allora puoi vederlo con i tuoi occhi, e non hai nemmeno bisogno di un microscopio."

Per seguire questa ricerca, Tran è interessata a incorporare nanoparticelle con proprietà diverse per creare nanofili, che potrebbe essere utilizzato come un modo per realizzare dispositivi di raccolta più efficienti dal punto di vista energetico che possono essere sintonizzati sulla luce nel loro ambiente.

"Se avessi delle nanoparticelle tutte metalliche, " lei disse, "potresti farli seguire lungo la linea e, se li incroci, in modo che siano rigidi, e lavare via il cristallo liquido, poi ti ritrovi con questa sorta di nanofilo modellato che potrebbe essere utilizzato per ulteriori applicazioni."

Secondo Kamien, una delle cose più interessanti che hanno imparato da questa ricerca è che non hanno bisogno di attrezzature fantasiose per vedere come le cose si organizzano su scala nanometrica.

"L'idea, " Egli ha detto, "che possiamo manipolare cose così piccole con mani grandi e guardarle su scale di grandi dimensioni è sorprendente per me. Spruzzando qualcosa nella soluzione possiamo cambiare l'aspetto dei modelli. Non stiamo solo deducendo cose su loro; li stiamo controllando. Li stiamo facendo ballare per noi. È vero che l'elettronica fa la stessa cosa con gli elettroni, ma non puoi vedere gli elettroni. Questa interazione tra ottica e struttura è entusiasmante."