I membri del Brookhaven Lab del gruppo di ricerca presso la linea di luce IXS della National Synchrotron Light Source II, da sinistra a destra:Dima Bolmatov, Alessandro Cunsolo, Michail Zhernenkov, Ronald Pindak (seduto), Alexei Suvorov (seduto), e Yong Cai. Il binario circolare accoglie i cavi delle utenze e consente al braccio che ospita i rilevatori di spostarsi in posizioni diverse per selezionare l'angolo di dispersione per la misurazione. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato un nuovo modo per tracciare le caratteristiche molecolari dinamiche nei materiali morbidi, comprese le vibrazioni molecolari ad alta frequenza che trasmettono onde di calore, suono, e altre forme di energia. Il controllo di queste onde vibrazionali in materiali morbidi come polimeri o composti di cristalli liquidi potrebbe portare a una serie di innovazioni ispirate all'energia, da isolanti termici e acustici, ai modi per convertire il calore di scarto in elettricità, o la luce in movimento meccanico.
In un articolo appena pubblicato su Nano lettere , gli scienziati descrivono l'utilizzo della linea di luce anelastica di dispersione dei raggi X (IXS) di nuova costruzione presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), che ha una risoluzione energetica senza precedenti, monitorare la propagazione delle vibrazioni attraverso un composto a cristalli liquidi in tre diverse fasi. Le loro scoperte mostrano che i cambiamenti strutturali su scala nanometrica che si verificano con l'aumento della temperatura, poiché i cristalli liquidi diventano meno ordinati, interrompono drasticamente il flusso delle onde vibrazionali. Scegliendo o modificando così la "fase, " o disposizione di molecole, potrebbe controllare le vibrazioni e il flusso di energia.
"Sintonando la struttura, possiamo cambiare le proprietà dinamiche di questo materiale, " ha detto il fisico di Brookhaven Dima Bolmatov, l'autore principale del documento.
La tecnica potrebbe essere utilizzata anche per studiare processi dinamici in altri sistemi morbidi come membrane biologiche o qualsiasi tipo di fluido complesso.
"Per esempio, potremmo osservare come le molecole lipidiche in una membrana cellulare cooperano tra loro per creare minuscole regioni porose dove molecole ancora più piccole, come ossigeno o anidride carbonica, può passare - per vedere come funziona lo scambio di gas nelle branchie e nei polmoni, " ha detto Bolmatov.
La capacità di tracciare proprietà dinamiche così veloci non sarebbe possibile senza le capacità uniche di NSLS-II, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Brookhaven Lab. NSLS-II produce raggi X estremamente luminosi per studi in un'ampia gamma di campi scientifici.
Alla linea di luce dell'IXS, gli scienziati bombardano i campioni con questi raggi X e misurano l'energia che cedono o guadagnano con una precisione entro due millesimi di elettronvolt, così come l'angolo con cui si disperdono dal campione, anche ad angoli molto piccoli.
"Lo scambio di energia ci dice quanta energia è necessaria per far vibrare alcune molecole in un movimento ondulatorio. L'angolo di diffusione sonda le vibrazioni che si propagano su scale di lunghezza diverse all'interno del campione, da quasi una singola molecola a decine di nanometri. Il nuovo La linea di luce IXS a NSLS-II può risolvere quelle scale di lunghezza con una precisione senza precedenti, " ha detto Yong Cai, lo scienziato capo della linea di luce IXS.
Il modello di dispersione colorato a sinistra rivela informazioni strutturali a livello molecolare sulla fase smectica stratificata di un materiale a cristalli liquidi. Gli archi interni indicano che le molecole sono disposte in strati ordinati con spaziatura regolare, mentre gli archi esterni indicano che c'è ancora mobilità simile a un liquido all'interno degli strati. Il grafico (in alto, a destra) rappresenta misurazioni anelastiche di diffusione dei raggi X da questa fase smectic. Ogni picco (rosa, arancia, viola) rappresenta un movimento vibrazionale unico che si muove attraverso il materiale, dove i due "dossi" che compongono ogni picco rappresentano l'energia guadagnata o persa dalla vibrazione. Le vibrazioni viola e arancioni corrispondono alla frequenza delle onde sonore mentre la terza, rosa, la vibrazione è legata all'inclinazione delle molecole (fondo, Giusto). L'oscillazione sfasata avanti e indietro di queste molecole corrisponde alla frequenza della luce infrarossa (calore). Credito:Brookhaven National Laboratory
"Questi due parametri, l'angolo di diffusione e l'energia, non sono mai stati misurati così bene nei materiali morbidi. Quindi le proprietà tecniche di questa linea di luce ci consentono di localizzare con precisione le vibrazioni e tracciare la loro propagazione in direzioni diverse su scale di lunghezza diverse, anche in materiali privi di una solida struttura ben ordinata, " Ha aggiunto.
Nello studio sui cristalli liquidi, gli scienziati del Brookhaven Lab e i loro collaboratori della Kent State University e dell'Università di Albany hanno effettuato misurazioni a tre diverse temperature mentre il materiale passava da un ordine, fase cristallina attraverso transizioni a uno stato "smettico" meno ordinato, e infine un liquido "isotropo". Hanno facilmente rilevato la propagazione delle onde vibrazionali attraverso la fase più ordinata, e mostrò che l'emergere del disordine "uccise" la propagazione delle vibrazioni di "taglio acustico" a bassa energia. Le vibrazioni acustiche di taglio sono associate ad una compressione delle molecole in una direzione perpendicolare alla direzione di propagazione.
"Sapere dove si trova il confine dinamico - tra il materiale che si comporta come un solido ordinato e un materiale morbido disordinato - ci dà un modo per controllare la trasmissione di energia su scala nanometrica, " ha detto Bolmatov.
Nella fase "smectic", gli scienziati hanno anche osservato una vibrazione associata invece all'inclinazione molecolare. Questo tipo di vibrazione può interagire con la luce e assorbirla perché la frequenza terahertz delle vibrazioni corrisponde alla frequenza della luce infrarossa o delle onde di calore. Quindi cambiare le proprietà del materiale può controllare il modo in cui queste forme di energia si muovono attraverso il materiale. Tali cambiamenti possono essere ottenuti modificando la temperatura del materiale, come è stato fatto in questo esperimento, ma anche applicando campi elettrici o magnetici esterni, disse Bolmatov.
Questo apre la strada a nuove applicazioni cosiddette fononiche o optomeccaniche, dove il suono o la luce è accoppiato con le vibrazioni meccaniche. Tale accoppiamento consente di controllare un materiale applicando luce e suono esterni o viceversa.
"Abbiamo tutti familiarità con le applicazioni che utilizzano le proprietà ottiche dei cristalli liquidi negli schermi di visualizzazione, " ha detto Bolmatov. "Abbiamo trovato nuove proprietà che possono essere controllate o manipolate per nuovi tipi di applicazioni".
Il team continuerà gli studi sui materiali morbidi a IXS, compresi esperimenti pianificati con copolimeri a blocchi, assemblaggi di nanoparticelle, membrane lipidiche, e altri cristalli liquidi durante l'estate.
"La linea di luce IXS è ora aperta anche a utenti esterni, inclusi scienziati interessati a questi e altri materiali morbidi e processi biologici, " disse Cai.
